Кодирование и модуляция в телекоммуникациях
¤ Аналоговая модуляция применяется при передаче цифровых и аналоговых данных по узкополосным каналам тональной частоты (например, телефонные сети)
¤ Импульсные коды (манчестерский и др.) применялись в первых цифровых сетях Ethernet и Token ring с невысокой скоростью передачи
¤ Улучшенные потенциальные коды (MLT3, B8ZS, HDB3 и др.) находят применение в современных высокоскоростных технологиях Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, FDDI, ISDN, xDSL и др.
5. Канальный уровень: MAC и LLC
Канальный уровень: MAC и LLC
LLC
отвечает за сопряжение с вышестоящими протоколами стека (мультиплексирование и демультиплексирование)
управляет потоком данных
обрабатывает ошибки передачи
¤ Применяется в:
§ протоколах канального уровня IEEE 802 (Ethernet, Token ring и др.)
§ протоколе FDDI
§ протоколе HDLC и его производных
¤ Служит для:
§ мультиплексирования/демультиплексирования на стыке канального/сетевого уровней
§ управления потоком данных
§ обработки ошибок
¤ Варианты:
§ LLC1 – без установления соединения, без подтверждения
§ LLC2 – с установлением соединения, с подтверждением
LLC3 – без установления соединения, с подтверждением
MAC
регулирует доступ к среде передачи
дополняет модуль данных (PDU) LLC информацией об адресах и контрольной суммой – формирует кадр MAC
выявляет ошибки и отклоняет ошибочные кадры
¤ Служит для:
§ регулировки доступа узлов сети к физической среде передачи
§ формирования кадра MAC (дополнение PDU LLC информацией об адресах узлов и контрольной суммой кадра)
§ выявления ошибок передачи путем подсчёта контрольной суммы кадра
¤ Формат кадра MAC зависит от применяемого протокола канального уровня (Ethernet, Token ring и др.)
6. Алгоритм CSMA/CD
¤ CSMA/CD (Carrier sense multiple access with collision detection) – метод множественного доступа с контролем несущей и обнаружением коллизий
Особенности:
¤ Множественный доступ
§ Все узлы имеют постоянный доступ к несущей (и передаваемым по сети данным) – «логическая шина»
§ Захват среды передачи происходит по требованию любого узла в любой момент времени – «случайный доступ»
¤ Контроль несущей
§ Перед отправкой кадра узел проверяет, свободна ли среда
¤ Обнаружение коллизий
§ Одновременная отправка кадра несколькими узлами - коллизия. Требуется обнаружение и обработка
¤ Коллизия– искажение передаваемых по сети кадров, происходящее в результате наложения кадров от двух и более станций, пытающихся вести одновременную передачу.
¤ Механизм возникновения:
§ Два узла начинают передачу одновременно;
§ Один узел начинает передачу раньше другого, но его сигналы не успевают достигнуть второго узла до того, как и он также начинает передачу.
Передача кадра:
1.Станция, собравшаяся передавать, прослушивает среду, и передает, если среда свободна. В противном случае (т.е. если среда занята), переходит к шагу 2. При передаче нескольких кадров подряд станция выдерживает определенную паузу между посылками кадров – межкадровый интервал, причем после каждой такой паузы перед отправкой следующего кадра станция вновь прослушивает среду (возвращение на начало шага 1);
2. Если среда занята, станция продолжает прослушивать среду до тех пор, пока среда не станет свободной, и затем сразу же начинает передачу;
3. Каждая станция, ведущая передачу, прослушивает среду, и, в случае обнаружения коллизии, не прекращает сразу же передачу, а сначала передает короткий специальный сигнал коллизии – jam-сигнал, информируя другие станции о коллизии, и прекращает передачу;
4. После передачи jam-сигнала (jamming – дословно глушение) станция замолкает и ждет некоторое произвольное время в соответствии с правилом бинарной экспоненциальной задержки, а затем возвращается к шагу 1.
7. Физический уровень Ethernet
Ethernet (эзернет, от англ. ether — эфир) — пакетная технология передачи
данных преимущественно локальных компьютерных сетей.
Стандарты Ethernet определяют проводные соединения и электрические сигналы
на физическом уровне, формат кадров и протоколы управления доступом к среде — на
канальном уровне модели OSI.
Base-5
Число 10 этом названии обозначает номинальную битовую скорость передачи данных стандарта, то есть 10 Мбит/с, а слово «Base» — метод передачи на одной базовой частоте (в данном случае 10 МГц). Последний символ в названии стандарта физического уровня обозначает тип кабеля, в данном случае 5 отражает тот факт, что диаметр «толстого» коаксиала равен 0,5 дюйма.
Наиболее популярными спецификациями физической среды Ethernet для скорости передачи данных 10 Мбит/с являются следующие:
10Base-5— коаксиальный кабель диаметром 0,5 дюйма, называемый «толстым» коаксиалом. Имеет волновое сопротивление 50 Ом. Максимальная длина сегмента: 500 м (без повторителей). Максимальное количество узлов подключаемых к сегменту — 100. Максимальное число сегментов — 5 (4 повторителя), из которых только 3 могут использоваться для подключения узлов, а 2 играют роль удлинителей сети.Физическая шина / Логическая шина
Достоинства:
¤ помехозащищенность
¤ длина сегмента 500м
¤ мобильность узлов в пределах 50м кабеля OUI
Недостатки:
¤ высокая стоимость кабеля
¤ сложность монтажа кабеля
¤ низкая масштабируемость сети
10Base-2— коаксиальный кабель диаметром 0,25 дюйма, называемый «тонким» коаксиалом. Имеет волновое сопротивление 50 Ом. Максимальная длина сегмента — 185 м (без повторителей). Максимальное количество узлов подключаемых к сегменту — 30. Максимальное число сегментов — 5 (4 повторителя), из которых только 3 могут использоваться для подключения узлов, а 2 играют роль удлинителей сети.Физическая шина / Логическая шина
Достоинства:
¤ низкая стоимость кабеля
¤ упрощённый монтаж
Недостатки:
¤ низкая помехозащищенность
¤ небольшая длина сегмента
¤ отсутствие мобильности узлов
¤ плохая эргономика
10Base-T— кабель на основе неэкранированной витой пары (UTP). Образует звездообразную топологию на основе концентратора (многопортового повторителя). Расстояние между концентратором и конечным узлом — не более 100 м. Между любыми двумя узлами сети может быть не более 4-х концентраторов (так называемое «правило 4-х хабов»). Физическая звезда / Логическая шина
Достоинства:
¤ масштабируемость сети
¤ управляемость сети
Недостатки:
¤ низкая помехозащищённость
¤ небольшая длина сегмента (100 м)
¤ повышенная стоимость:
-дополнительное оборудование
-расход кабеля
10Base-F — волоконно-оптический кабель. Топология аналогична топологии стандарта 10Base-T, но расстояние между концентратором и конечным узлом может достигать 2000 м. Правило 4-х хабов остается в силе.
Fast Ethernet: 100 Мбит/с
¤ Метод доступа CSMA/CD (CSMA для точечных полнодуплексных каналов)
¤ Сохранение формата кадра Ethernet II
¤ Физическая топология звезда, логическая топология шина/звезда
¤ Скорость 100 Мбит/с
§ IFG = 0,96 мкс
§ bt = 0,01 мкс
¤ Используемые физические среды:
§ UTP Cat.3 и выше
§ MMF, SMF
100Base-TXдля двухпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP категории 5 или экранированной витой паре STP типа 1;
100Base-T4для четырехпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP категории 3,4 или 5;
100Base-FXдля многомодового оптоволоконного кабеля с двумя волокнами.
Gigabit Ethernet: 1 Гбит/с
¤ Метод доступа CSMA (только полнодуплексные каналы: коллизий нет)
¤ Сохранение формата кадра Ethernet II
¤ Физическая/логическая топология звезда
¤ Скорость 1 Гбит/с
§ IFG = 9,6 нс
§ bt = 1 нс
¤ Используемые физические среды:
§ UTP Cat.5 и выше
§ MMF, SMF
Для многомодового оптоволокна стандарт Gigabit Ethernet определяет спецификации 1000Base-SX и 1000Base-LX. В первом случае используется длина волны 850 нм (S означает Short Wavelength), а во втором — 1300 нм (L — Long Wavelength). Спецификация 1000Base-SX разрешает использовать только многомодовый кабель, при этом его макси-
мальная длина составляет около 500 м. Для спецификации 1000Base-LX в качестве источника излучения всегда применяется
полупроводниковый лазер диод с длиной волны 1300 нм. Спецификация 1000Base-LX позволяет работать как с многомодовым (максимальное расстояние до 500 м), так и с одномодовым кабелем (максимальное расстояние зависит от мощности передатчика и качества кабеля и может доходить до нескольких десятков километров).
10G Ethernet: 10 Гбит/с
¤ Метод доступа CSMA (только полнодуплексные каналы: коллизий нет)
¤ Сохранение формата кадра Ethernet II
¤ Физическая/логическая топология звезда
¤ Скорость 10 Гбит/с
§ IFG = 0,96 нс
§ bt = 0,1 нс
¤ Используемые физические среды:
§ UTP Cat.6 и выше, STP
§ MMF, SMF
8. Сети Token Ring и FDDI
Физическая топология этих сетей — кольцо, каждый узел соединяется кабелем с двумя соседними узлами (рис. 12.2). Однако эти от- резки кабеля также являются разделяемыми, так как в каждый момент времени только один компьютер может задействовать кольцо для передачи своих пакетов.
Использование разделяемых сред позволяет упростить логику работы узлов сети. Поскольку в каждый момент времени выполняется только одна передача, отпадает необходимость в буферизации кадров в транзитных узлах. Соответственно, отпадает необходимость в сложных процедурах управления потоком и борьбы с перегрузками.
Основной недостаток разделяемой среды — плохая масштабируемость. Этот недостаток является принципиальным, так как независимо от метода доступа к среде ее пропускная способность делится между всеми узлами сети.
Технологии Token Ring и FDDI используют метод маркерного доступа, основанный на передаче от узла к узлу особого кадра — маркера (токена) доступа. При этом только узел, владеющий маркером доступа, имеет право доступа к разделяемому кольцу. Существует лимит на период монопольного использования среды — это так называемое время удержания токена, по истечение которого станция обязана передать токен своему соседу по кольцу. Максимальное время ожидания всегда нетрудно оценить, так как оно равно произведению времени удержания токена на количество станций в кольце. Так как станция, получившая токен, но не имеющая в этот момент кадров для передачи, передает токен следующей станции, то время ожидания может быть меньше. Отказоустойчивость сети Token Ring определяется использованием в сети повторителей для создания кольца. Каждый такой повторитель имеет несколько портов, которые образуют кольцо за счет внутренних связей между передатчиками и приемниками. В случае отказа или отсоединения станции повторитель организует обход порта этой станции, так что связность кольца не нарушается. Поддержка чувствительного к задержкам трафика достигается за счет системы приоритетов кадров. Решение о приоритете конкретного кадра принимает передающая станция. Токен также всегда имеет некоторый уровень текущего приоритета. Станция имеет право захватить переданный ей токен только в том случае, если приоритет кадра, который она хочет передать, выше приоритета токена (или равен ему). В противном случае станция
обязана передать токен следующей по кольцу станции.
ЛВС Token Ring
¤ Метод доступа к среде – маркерное кольцо (token ring)
¤ Скорости передачи данных
§ 4 Мбит/с
§ 16 Мбит/с (с ранним освобождением маркера)
§ 100 Мбит/с (HSTR – high speed token ring)
¤ Применяемые физические среды передачи:
§ экранированная витая пара (STP)
§ неэкранированная витая пара (UTP)
¤ Разграничение приоритетов
¤ Физическая звезда / Логическое кольцо