Телекомунікаційні системи та мережі. Абонентський доступ і технології локальних мереж. Том 2  /  Зміст  /  [→] Розділ 1. Принципи побудови та функціонування локальних мереж  /  [→] Тема 1.3. Специфікації фізичного середовища Ethernet

Contents:
  • [→] Розділ 1. Принципи побудови та функціонування локальних мереж
    • [→] Тема 1.3. Специфікації фізичного середовища Ethernet
    • Тема 1.10. Контрольні запитання та завдання

Специфікації фізичного середовища Ethernet

Перші мережі технології Ethernet були стандартизовані на коаксіальному кабелі. Надалі визначено й інші специфікації фізичного рівня для стандарту Ethernet, що забезпечують використання різних середовищ передачі даних. Метод доступу CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection, множинний доступ з контролем носійної та виявленням конфліктів) і всі часові параметри залишаються тими самими для будь-якої специфікації фізичного середовища технології Ethernet 10 Мбіт/с.

Фізична специфікація технології Ethernet визначається типом середовища передачі й швидкістю модуляції й має позначення 10Base-Х. Число 10 у зазначеної назві позначає бітову швидкість передачі даних цих стандартів — 10 Мбіт/с, а слово Base — метод передачі на одній базовій частоті 10 МГц. Останній символ Х у назві стандарту фізичного рівня позначає тип середовища передачі.

10Base-5 — «товстий» коаксіальний кабель діаметром близько 10 мм (0,5 дюйма). Діаметр центрального мідного проводу 2,17 мм має хвильовий опір 50 Ом. Кабель використовується як моноканал для всіх станцій. Такі характеристики мають кабелі марок RG-8 й RG-11. Максимальна довжина сегмента — 500 метрів. На кінцях сегмента встановлюються термінатори («поглинаючі») з хвильовим опором 50 Ом, що поглинають сигнали, які поширюються кабелем, і запобігають виникненню відбитих сигналів. Термінатор — це з’єднувач («батько») із запаяним у ньому резистором. Станція підключається до кабелю за допомогою приймача-передавача, який має назву трансивера (transmitter + receiver = transceiver). Трансивер може приєднуватися до лінії як методом фізичного контакту, так і безконтактним методом.

Трансивер — це частина мережного адаптера, що виконує такі функції:

  • передача сигналів на лінію та прийом сигналів з лінії;
  • визначення колізій у загальному середовищі передачі;
  • електрична розв’язка між середовищем передачі й іншою частиною адаптера (РЕ);
  • захист загального середовища передачі від некоректної роботи адаптера.

Останню функцію іноді називають «Контролем балакучості», що є буквальним перекладом відповідного англійського терміна (jabber control). Під час виникнення несправностей в адаптері може виникнути ситуація, коли на кабель безупинно видаватиметься послідовність випадкових сигналів. Оскільки кабель — це загальне середовище для всіх станцій, то роботу мережі буде заблоковано одним несправним адаптером. Щоб цього не трапилося, на виході передавача ставиться схема, що перевіряє час передачі кадру. Якщо максимально можливий час передачі пакета перевищується (з певним запасом), то ця схема просто від’єднує вихід передавача від кабелю. Максимальний час передачі кадру (разом з преамбулою) дорівнює 1 221 мкс, а час джабер-контролю встановлюється рівним 4 000 мкс (4 мс).

Спрощену структурну схему трансивера зображено на рис. 1.3.1.

Рис. 1.3.1. Структурна схема трансивера

Трансивер з’єднується з мережним адаптером інтерфейсним кабелем AUI (Attachment Unit Interface, інтерфейс підключення мережного обладнання) довжиною до 50 м, що складається з 4-х кручених пар.

Наявність стандартного інтерфейсу між трансивером й іншою частиною мережного адаптера дуже корисна під час переходу з одного типу середовища передачі на інше. Для цього достатньо тільки замінити трансивер, а інша частина мережного адаптера залишається незмінною, тому що вона відпрацьовує протокол рівня MAC. При цьому необхідно тільки, щоб новий трансивер (зокрема для крученої пари) підтримував стандартний інтерфейс AUI. Для приєднання до інтерфейсу AUI використовується з’єднувач DB-15.

Допускається підключення до одного сегмента не більше 100 трансиверів, причому відстань між підключеннями трансиверів має бути не менше 2,5 м. На кабелі є розмітка через кожні 2,5 м, що позначає точки підключення трансиверів. Під час приєднання робочих станцій відповідно до розмітки вплив стоячих хвиль у кабелі на мережні адаптери зводиться до мінімуму.

Стандарт 10Base-5 визначає можливість використання в мережі спеціального пристрою — повторювача (repeator). Повторювач складається з 2-х (або декількох) трансиверів, які приєднуються до сегментів кабелю, а також блоку повторення зі своїм тактовим генератором. Для кращої синхронізації переданих бітів повторювач затримує передачу декількох перших бітів преамбули кадру, за рахунок чого збільшується затримка передачі кадру із сегмента на сегмент, а також зменшується міжкадровий інтервал (Inter Packet Gap, IPG). Структурну схему повторювача наведено на рис. 1.3.2.

Рис. 1.3.2. Спрощена схема повторювача

Стандарт дозволяє використання в мережі не більше 4 повторювачів й, відповідно, не більше 5 сегментів кабелю. З максимальною довжиною сегмента кабелю в 500 м це дає максимальну довжину мережі 10Base-5 в 2500 м. Тільки 3 сегменти з 5 можуть бути навантаженими, тобто такими, до яких підключаються кінцеві вузли. Між навантаженими сегментами мають бути ненавантажені.

Правило застосування повторювачів у мережі Ethernet 10Base-5 називається правилом 5-4-3. 5 сегментів, 4 повторювачі, 3 навантажених сегменти. Обмежена кількість повторювачів пояснюється додатковими затримками поширення сигналу, які вони вносять. Застосування повторювачів збільшує час подвійного поширення сигналу, що для надійного розпізнавання колізій не має перевищувати час передачі кадру мінімальної довжини, тобто кадру в 72 байти або 576 бітів.

Кожний повторювач підключається до сегмента одним своїм трансивером, тому до навантажених сегментів можна підключити не більше 99 вузлів. Максимальна кількість кінцевих вузлів у мережі 10Base-5 складає 99×3 = 297 вузлів. Фрагмент мережі, побудованої на основі повторювачів, наведено на рис. 1.3.3.

Рис. 1.3.3. Мережа, побудована з використанням повторювачів

продивитись анімацію

Flash-анімація. Натисніть на поле для запуску

10Base-2 — «тонкий» коаксіальний кабель діаметром близько 6 мм (0,25 дюйми) з діаметром центрального мідного проводу 0,89 мм. Кабель має хвильовий опір 50 Ом. Такі характеристики мають кабелі марок RG-58/U, RG-58 A/U, RG-58C/U. Тонкий коаксіальний кабель дешевший за товстий, через що мережі 10Base-2 іноді називають мережами Cheaper-net (від cheaper — дешевший). Але за дешевизну кабелю доводиться розплачуватися якістю — «тонкий» коаксіал має гірший захист від зовнішніх впливів, гіршу механічну міцність і вужчу смугу пропускання.

Максимальна довжина сегмента без повторювачів — 185 м, сегмент повинен мати на кінцях термінатори. Станція підключається до кабелю за допомогою високочастотного Т-конектора, що є трійником, один відвід якого з’єднується з мережним адаптером, а два інших — з двома кінцями розриву кабелю (рис. 1.3.4). При відключенні вузла Т-конектор необхідно залишати в мережі, щоб не порушувати її працездатність. Або заміняти Т-конектор на прямий з’єднувач (I-connector).

Рис. 1.3.4. Зовнішній вигляд Т-конектора

Максимальна кількість станцій, що підключають до одного сегмента — 32, мінімальна відстань між станціями — 1 м. Кабель «тонкого» коаксіалу має розмітку для підключення вузлів з кроком в 1 м.

Стандарт 10Base-2 також передбачає використання повторювачів, застосування яких також має відповідати «правилу 5-4-3». У цьому разі мережа матиме максимальну довжину в 5×185 = 925 м. Загальна кількість вузлів у мережі 10Base-2 не повина перевищувати 29×3 = 87.

Стандарт 10Base-2 дуже близький до стандарту 10Base-5. Але трансивери в ньому об’єднані з мережними адаптерами за рахунок того, що гнучкіший тонкий коаксіальний кабель може бути підведений безпосередньо до вихідного рознімання плати мережного адаптера. Кабель у цьому разі «висить» на мережному адаптері, що ускладнює фізичне переміщення комп’ютерів.

Загальним недоліком стандартів 10Base-5 й 10Base-2 є відсутність оперативної інформації щодо стану моноканалу. Пошкодження кабелю виявляється відразу (мережа перестає працювати), але для пошуку відрізка кабелю, що відмовив, необхідний спеціальний прилад — кабельний тестер.

10Base-Т — кабель на основі неекранованої (незахищенoї) крученої пари (Unshielded Twisted Pair, UTP). Багатопарний кабель на основі неекранованої крученої пари категорії 3 телефонні компанії вже досить давно використовують для підключення телефонних апаратів усередині будинків. Категорія характеризує смугу пропускання кабелю, величину перехресних наведень NEXT (Near-End Crosstalk, міжкабельні наведення на ближньому кінці лінії) і деякі інші параметри його якості.

Стандарт прийнятий у 1991 р. як доповнення до існуючого набору стандартів Ethernet і має позначення 802.3i.

Усі роботи з монтажу крученої пари необхідно починати зі складання докладної схеми прокладки кабелів і розташування пристроїв. При прокладанні кабелю UTP необхідно дотримуватися таких умов.

Мінімальний радіус вигину для крученої пари — чотири діаметри кабелю (або 1 дюйм, що дорівнює 25 мм), але є рекомендації розташовувати кабель таким чином, щоб забезпечувати вигин радіусом 50 мм. Мінімальна відстань між мережним кабелем і прокладеним паралельно йому силовим кабелем — 125 мм.

Усі кабельні елементи мережі повинні бути однієї категорії. Причому рекомендується відразу робити всі кабелі 5, 6 або 7 категорії, щоб не довелося все перекладати при переході на новий стандарт. Кабель UTP краще використовувати 4-парний, оскільки в стандарті 1000Base-TX застосовуються всі чотири пари.

Максимальна довжина кабелю для стандарту 10Base-T між розетками або між розеткою й patch-панеллю — 90 метрів. Це правило розроблене, виходячи з обмеження максимальної відстані в 100 метрів між DTE (Data Terminal Equipment, кінцеве обладнання даних) і хабом. Причому 10 метрів, що залишилися, призначаються для проводу (patch cord) між розеткою й вузлом, або розеткою (patch панеллю) і хабом.

Рatch cord — відрізок проводу (не більше 5 метрів) крученої пари з обтиснутими на його кінцях вилками RJ-45 для підключення вузла до мережної розетки. Він виготовляється з кабелю гнучкішого і міцнішого за основний (багатожильний), щоб випадково не перетиснути й не переломити його. Кручена пара повинна бути обтиснута відповідно до різних стандартів (568A або 568B). Стандарт залежить винятково від проводу, який використовується у мережі.

Для монтажу потрібні вилки та гнізда (рис. 1.3.5). Гнізда встановлюються в мережні карти, хаби, трансивери, розетки й інші пристрої. Сам з’єднувач являє собою ряд (8 шт.) пружних контактів і виїмку для фіксатора вилки (рис. 1.3.5).

Рис. 1.3.5. Рознімання та гніздо для крученої пари

На новій вилці контакти виходять за межі корпусу (рис. 1.3.6). У процесі обтискання вони будуть утоплені всередину корпусу, проріжуть ізоляцію (2) проводу й устромляться в жилу (1).

Вилки поділяються на екрановані й неекрановані, із вставкою й без, для круглого й для плоского кабелю, для одножильного й для багатожильного кабелю, з двома й з трьома зубцями. Корисно разом з вилкою на кабель установлювати захисний ковпачок.

Рис. 1.3.6. Зовнішній вигляд та побудова вилки RJ-45

Кабель Twisted Pair — кручена паpа, складається з «паp» проводів, закручених один навколо одного й водночас — навколо інших пар, у межах однієї оболонки. Кожна паpа складається з проводу, іменованого Ring і проводу Tip (назва прийшла з телефонії). Кожна паpа в оболонці має свій номер, таким чином, кожний провід можна ідентифікувати як Ring1, Tip1, Ring2, Tip2 й т. п.

Додатково до нумерації проводів кожна паpа має свою унікальну колірну схему (див. табл. 1.3.1). Кабель обробляють однаково з обох боків. Вибір варіанта закладення 568A або 568B залежить винятково від прийнятого у мережі типу кабелю. Для монтажу вилки необхідно видалити зовнішню оболонку кабелю на довжину 12,5 мм (1/2 дюйма, див. рис. 1.3.7). В обтискному інструменті є спеціальний ніж і обмежувач для цієї операції.

Провід зачищати не потрібно. Необхідно розплести кабель і розташувати проводи відповідно до обраної схеми закладення, причому довжина розплітання не повинна перевищувати 12,5 мм.

Таблиця 1.3.1Стандарти 568А та 568В для крученої пари

10 Base-T/100 Base-TX

Одна сторона Колір проводу Інша сторона
1 білий/жовтогарячий
1
2 жовтогарячий/білий
2
3 білий/синій
3
6 синій/білий 6
EIA/ TIA-568A

Одна сторона Колір проводу Інша сторона
1 білий/зелений 1
2 зелений/білий
2
3 білий/жовтогарячий
3
4 синій/білий
4
5 білий/синій
5
6 жовтогарячий/білий
6
7 білий/коричневий
7
8 коричневий/білий 8
EIA/ TIA-568B, AT&T 258A
Одна сторона Колір проводу Інша сторона
1 білий/зелений 1
2 зелений/білий 2
3 білий/жовтогарячий 3
4 синій/білий 4
5 білий/синій 5
6 жовтогарячий/білий 6
7 білий/коричневий 7
8 коричневий/білий 8

Рис. 1.3.7. Порядок підготовки кабелю

Далі необхідно повернути вилку контактами до себе, як на рис. 1.3.8, і акуратно насунути ії на кабель до упору, щоб проведення пройшли під контактами. Далі за допомогою спеціального інструменту обтиснути вилку.

Рис. 1.3.8. Порядок монтажу вилки та кабелю

Спрощений порядок монтажу має вилка із вставкою (рис. 1.3.9). Розплетені й розташовані відповідно до обраного способу проводи кабелю заводяться у вставку до упору, зайве обрізають, далі отримана конструкція вставляється у вилку. Вилка обтискається.

Рис. 1.3.9. Побудова вилки зі вставкою

Якщо немає обтискного інструмента, то можна обтиснути рознімання RJ-45 тонкою викруткою. Для цього потрібно утопити вісім контактів 1 (див. рис. 1.3.5) у корпус вилки, а також фіксатор проводу 3. Доцільно підкласти що-небудь під рознімання, щоб не зламати його фіксатор 2. Це не надто надійний спосіб монтажу, але цілком застосовний.

Станції з’єднуються за топологією «точка — точка» зі спеціальним пристроєм — концентратором (багатопортовим повторювачем) за допомогою двох кручених пар, тобто утворюють зіркоподібну топологію на основі концентратора (див. рис. 1.3.10).

Рис. 1.3.10. Локальна мережа на базі концентратору

Одна кручена пара використовується для передачі даних від станції до повторювача (вихід Тх мережного адаптера), а інша — для передачі даних від повторювача до станції (вхід Rx мережного адаптера). Концентратор здійснює функції повторювача сигналів на всіх відрізках кручених пар, підключених до його портів, так що утворюється єдине середовище передачі даних — логічний моноканал (логічна загальна шина).

Концентратор виявляє колізію в сегменті у разі одночасної передачі сигналів кількома своїми Rx-входами і надсилає jam-послідовність на всі свої Тх-виходи.

Стандарт визначає бітову швидкість передачі даних 10 Мбіт/с і максимальну відстань відрізка крученої пари між двома безпосередньо з’єднаними вузлами (станціями й концентраторами) не більше 100 м за наявності крученої пари якості не нижче категорії 3. Ця відстань визначається смугою пропущення крученої пари — на довжині 100 м вона дозволяє передавати дані зі швидкістю 10 Мбіт/с під час використання манчестерського коду.

Цей код може використовуватися у мережах зі швидкодією передачі менш ніж 1 Гбіт/с та призначений як для передачі даних, так і для синхронізації. При цьому кожний біт-символ поділяється на дві частини, причому друга частина завжди є інверсною стосовно першої. У першій половині кодований сигнал представлений у додатковому вигляді, а в другій — у звичайному. Приклади форм сигналів при манчестерському кодуванні подані на рис. 1.3.11. Верхній рівень сигналу відповідає +0,85 В, нижній —0,85 В.

Основна перевага манчестерського коду — відсутність постійної складової в сигналі. Це дає можливість легко застосовувати для гальванічної розв’язки імпульсні трансформатори. При цьому не потрібно додаткового джерела живлення для лінії зв’язку, різко зменшується вплив низькочастотних завад, які не проходять через трансформатор, легко розв’язується проблема узгодження. Постійна складова дорівнює середньому значенню між двома рівнями сигналу. Манчестерський код поєднує в біт-сигналі дані й синхронізацію.

При швидкості передачі даних у 10 Мбіт/с манчестерське кодування приводить до зміни частоти коливань сигналів у лінії від 5 МГц (відповідає послідовності з нулів і одиниць, що чергуються: 1010101010...) до 10 МГц (відповідає переданому ланцюжку з одних нулів або з одних одиниць).

Рис. 1.3.11. Приклади кодування з використанням манчестерського коду

Концентратори 10Base-T можна з’єднувати один з одним за допомогою тих самих портів, що призначені для підключення кінцевих вузлів. При цьому потрібно подбати, щоб передавач і приймач одного порту були з’єднані відповідно з приймачем і передавачем іншого порту.

Для забезпечення синхронізації станцій під час реалізації процедур доступу й надійного розпізнавання колізій у стандарті визначено максимальну кількість концентраторів між будь-якими двома станціями — 4. Максимальна протяжність мережі 4×100 м + 100 = 500 м. Загальна кількість станцій у мережі 10Base-T не повинна перевищувати загальної межі в 1024.

Мережі, побудовані на основі стандарту 10Base-T, мають у порівнянні з коаксіальними варіантами Ethernet багато переваг. Ці переваги пов’язані з поділом загального фізичного кабелю (шини) на окремі кабельні відрізки, підключені до центрального комунікаційного пристрою, що дає змогу контролювати стан окремих сегментів.

І хоча логічно ці відрізки, як і раніше, утворюють загальне поділюване середовище, їхній фізичний поділ дає змогу контролювати його стан і відключати їх на індивідуальній основі у разі обриву, короткого замикання або несправності мережного адаптера. Це істотно полегшує експлуатацію великих мереж Ethernet.

У стандарті 10Base-T визначено процедуру тестування фізичної працездатності двох відрізків крученої пари, що з’єднують трансивер кінцевого вузла й порт повторювача. Ця процедура називається тестом зв’язності (link test) і заснована на передачі кожні 16 мс спеціальних імпульсів J (11000) і К (10001) манчестерського коду між передавачем і приймачем кожної крученої пари. Якщо тест не проходить, то порт блокується та відключає проблемний вузол від мережі.

Поява між кінцевими вузлами активного пристрою, що може контролювати роботу вузлів та ізолювати від мережі некоректно працюючі, є головною перевагою технології 10Base-T у порівнянні зі складними в експлуатації коаксіальними мережами. Завдяки концентраторам мережа Ethernet набула певних рис відмовостійкої системи.

З’єднання концентраторів за топологією «кільце» у стандарті 10Base-T заборонено, тому що воно призводить до некоректної роботи мережі. Ця вимога означає, що в мережі 10Base-T не дозволяється створювати паралельні канали зв’язку між критично важливими концентраторами для резервування зв’язків на випадок відмови порту, концентратора або кабелю.

10Base-F — багатомодовий волоконно-оптичний кабель. Функціонально мережа будується аналогічно стандарту 10Base-T. Довжина сегмента — 1 000 м. Максимальна кількість концентраторів між вузлами мережі — 4, максимальний діаметр мережі 2 500 м. Як середовище передачі даних 10-мегабітний Ethernet використовує оптичне волокно.

Розрізняють одномодові й багатомодові волокна. Якщо волокно багатомодове, діаметр одномодового сердечника (зазвичай 50 або 62,5 мкм) 8—10 мкм.

Стандарт FOIRL (Fiber Optic Inter-Repeater Link, ланка волоконно-оптичного зв’язку між повторювачами) є першим стандартом комітету 802.3 для використання оптоволокна в мережах Ethernet. Він гарантує довжину оптоволоконного зв’язку між повторювачами до 1 км при загальній довжині мережі не більше 2 500 м. Максимальна кількість повторювачів між будь-якими вузлами мережі 4.

Стандарт 10Base-FL є незначним поліпшенням стандарту FOIRL. Збільшено потужність передавачів, тому максимальна відстань між вузлом і концентратором збільшилася до 2000 м. Максимальна кількість повторювачів між вузлами залишилася 4, а максимальна довжина мережі — 2500 м.

Стандарт 10Base-FB призначений тільки для з’єднання повторювачів. Між вузлами мережі можна встановити до 5 повторювачів 10Base-FB при максимальній довжині одного сегмента 2 000 м і максимальній довжині мережі 2 740 м.

Повторювачі, які функціонують за стандартом 10Base-FB, за відсутності інформаційних кадрів для передачі здійснюють постійний обмін спеціальними послідовностями сигналів для підтримки синхронізації, що відрізняються від сигналів кадрів даних. Тому вони вносять менші затримки при передачі даних з одного сегмента в інший, і це є головною причиною, за якою кількість повторювачів удалося збільшити до 5. Спеціальні сигнали використовують манчестерські коди J і К у такій послідовності: J-J-K-K-J-J-... Ця послідовність породжує імпульси частоти 2,5 МГц, які й підтримують синхронізацію приймача одного концентратора з передавачем іншого. Тому стандарт 10Base-FB має також назву синхронний Ethernet.

Як і в стандарті 10Base-T, оптоволоконні стандарти Ethernet з’єднують концентратори тільки в деревоподібні ієрархічні структури. Будь-які петлі між портами концентраторів не допускаються.

Зміст | 1.2.4. Формати кадрів рівня МАС | 1.4.1. Розрахунок пропускної здатності... | Top