КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ Лекция 6 Подуровень управления доступом к среде. Введение в Ethernet. Санкт-Петербург, 2012 Александр Масальских

Ш ИРОКОВЕЩАТЕЛЬНЫЕ КАНАЛЫ Есть сети, построенные на основе соединений узла с узлом, есть построенные с применением широковещания. Широковещательные каналы называют также каналами с множественным доступом или каналами с произвольным доступом. Протоколы, управляющие доступом в общей среде называются MAC (Media Access Control). Подуровень управления доступом к среде является нижней частью уровня передачи данных.

Р АСПРЕДЕЛЕНИЕ КАНАЛОВ. С ТАТИЧЕСКОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ FDM (Frequency Division Multiplexing) TDM (Time Division Multiplexing) Статическое распределение неэффективно при пульсирующем трафике.

Р АСПРЕДЕЛЕНИЕ КАНАЛОВ. Д ИНАМИЧЕСКОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ Допущения модели: 1. Стационарная модель (N независимых станций). 2. Предположение о едином канале. 3. Допущение о коллизиях. 4. Время: a. Непрерывное b. Дискретное 5. Контроль несущей: a. Есть b. Нет

П РОТОКОЛЫ КОЛЛЕКТИВНОГО ДОСТУПА. ALOHA 1970 год. Разрешить системам передавать данные как только он они готовы к отправке. Успешность передачи определяется прослушиванием канала. Если кадры разрушен – ждём случайное время и пытаемся послать кадр снова. Система с конкуренцией.

П РОТОКОЛЫ КОЛЛЕКТИВНОГО ДОСТУПА. ALOHA

П РОТОКОЛЫ КОЛЛЕКТИВНОГО ДОСТУПА. Д ИСКРЕТНАЯ ALOHA Удваивает производительность системы. Делим время на дискретные интервалы, соответствующие времени передачи одного кадра.

П РОТОКОЛЫ КОЛЛЕКТИВНОГО ДОСТУПА. Д ИСКРЕТНАЯ ALOHA И ALOHA

П РОТОКОЛЫ МНОЖЕСТВЕННОГО ДОСТУПА С КОНТРОЛЕМ НЕСУЩЕЙ В дискретной ALOHA максимальный коэффициент использования канала 1/e. Чтобы достичь большего коэффициента, требуется учитывать поведение остальных станций. Протоколы, прослушивающие среду передачи называются протоколами с контролем несущей.

Н АСТОЙЧИВЫЙ CSMA С НАСТОЙЧИВОСТЬЮ 1 CSMA (Carrier Sense Multiple Access – множественный доступ с контролем несущей). Сначала рассмотрим модификацию с настойчивостью 1: 1. Слушаем канал, если занят – ждём пока освободится 2. Если свободен – передаём кадр 3. Если коллизия – ждём случайное время, и передаём снова Настойчивость 1 означает, что в случае свободного канала, сразу передаём кадр.

Н ЕНАСТОЙЧИВЫЙ CSMA Ненастойчивая модификация: 1. Слушаем канал, если занят – ждём случайное время, потом слушаем снова. 2. Если свободен – передаём кадр 3. Если коллизия – ждём случайное время, и передаём снова

Н АСТОЙЧИВЫЙ CSMA С НАСТОЙЧИВОСТЬЮ P Работает в каналах с дискретным временем. Модификация с настойчивостью p : 1. Слушаем канал, если занят – ждём следующего интервала. 2. Если свободен – передаём кадр с вероятностью p. 3. Если коллизия – ждём случайное количество интервалов и дальше по алгоритму.

С РАВНИТЕЛЬНЫЙ ГРАФИК

CSMA И ОБНАРУЖЕНИЕМ КОЛЛИЗИЙ Настойчивый и ненастойчивый CSMA лучше ALOHA. Можно ещё улучшить, останавливая передачу сразу при возникновении столкновения кадров. CSMA/CD (Carrier-Sense Multiple Access with Collision Detection). Полудуплекс из-за необходимости прослушивать канал

CSMA И ОБНАРУЖЕНИЕМ КОЛЛИЗИЙ

П РОТОКОЛЫ БЕЗ СТОЛКНОВЕНИЙ Второй подход – избежать столкновения без периода конкуренции. Пусть есть N станций с уникальным номером (0..N-1).

П РОТОКОЛ БИТОВОЙ КАРТЫ Основной метод битовой карты Накладные расходы в 1 бит на станцию Протокол с резервированием. При слабой загрузке в менее выгодном положении станции с малым номером.

Д ВОИЧНЫЙ ОБРАТНЫЙ ОТСЧЁТ Адреса – двоичные, равной длины. Если станция желает начать передачу – объявляет свой адрес в виде битовой строки, начиная со старшего бита. Правило арбитража: если в текущем бите станция с 0 видит 1 – она сдаётся. Кто выигрывает торги – передаёт кадр Эффективность использования канала log 2 N Можно использовать адрес в качестве адреса в кадре, тогда эффективность 100%

Д ВОИЧНЫЙ ОБРАТНЫЙ ОТСЧЁТ

П РОТОКОЛЫ С ОГРАНИЧЕННОЙ КОНКУРЕНЦИЕЙ Чем выше загрузка канала, тем хуже работают системы со столкновениями. Наоборот, чем ниже загрузка, тем хуже работают бесконфликтные протоколы. Посередине будет находиться класс протоколов с ограниченной конкуренцией. Системы делятся на группы, борьба за право передачи в определённом интервале ведётся в группе.

П РОТОКОЛ АДАПТИВНОГО ПРОХОДА ПО ДЕРЕВУ

П РОТОКОЛЫ МНОЖЕСТВЕННОГО ДОСТУПА СО СПЕКТРАЛЬНЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ

У каждой станции, например, два приемника и два передачтика: 1. Приемник с фиксированной длины волны для прослушивания своего управляющего канала. 2. Передатчик с настраиваемой длиной волны для передачи по управляющему каналу другой станции. 3. Передатчик с фиксированной длиной волны для передачи кадров данных. 4. Приемник с настраиваемой длиной волны для приема кадров данных.

П РОТОКОЛЫ МНОЖЕСТВЕННОГО ДОСТУПА СО СПЕКТРАЛЬНЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ Настройка волны, например, на базе интерферометра Фабри-Перо или Маха- Цандера. Три класса трафика: 1. Ориентированный на соединение с постоянной скоростью. 2. Ориентированный на соединение с переменной скоростью. 3. Дейтаграмный трафик.

П РОТОКОЛЫ БЕСПРОВОДНЫХ ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЕЙ Нет гарантии, что все станции слышат всех. Нас интересует интерференция на приемнике принимающей стороны, поэтому в классическом смысле CSMA не работает. Проблема скрытой станции (может не слышать конкурента) Проблема засвеченной станции (ошибочно считает что передающий – конкурент).

П РОТОКОЛ MACA MACA (Media Access with Collision Avoidance) RTS (Request To Send) с длинной кадра. CTS (Clear To Send) – разрешение передачи с длиной кадра. Если слышит RTS но не слышит CTS – может передавать. Если слышит CTS – молчит.

П РОТОКОЛ MACA

П РОТОКОЛ MACAW Ввели кадр подтверждения ACK, чтобы перепосылка поврежденных кадров контролировалась не транспортным уровнем, а канальным. Ввели прослушивание эфира для предотвращения посылки RTS, если кто-то рядом уже передаёт RTS той же станции. Алгоритм ожидания привязали к паре источник-приемник. Добавили механизм обратной связи для борьбы с перегрузками.

П РОТОКОЛ E THERNET Боб Меткаф (Bob Metcalfe) и Дэвид Боггс (David Boggs) в 1976 году публикуют описание локальной сети, построенной в Исследовательском центре Xerox. Сеть была построена на толстом коаксиально кабеле и обеспечивала скорость передачи 2,94 Мбит/с. Ethernet (от luminiferous ether – люминесцентный эфир). К 70-м годам существовала мощная теоретическая база.

П РОТОКОЛ E THERNET

Xerox Ethernet быстро набирает популярность, корпорации DEC, Intel и Xerox в 1978 году совместно разрабатывают стандарт DIX, описывающий Ethernet со скоростью 10 Мбит/c. Меткаф организовал фирму 3Com Стандарт DIX с 2 изменениями был принят IEEE (802.3

П РОТОКОЛ E THERNET. В ИТАЯ ПАРА

Токи в любой точке идеальной витой пары равны по значению, и противоположны по направлению. Следовательно, векторы напряженности электромагнитного поля каждого из проводников противоположно направлены, и суммарное ЭМИ отсутствует. Под идеальной витой парой понимается линия, в которой проводники бесконечно плотно прилегают друг к другу, имеют бесконечно малый диаметр, и ток, протекающий через них, стремится к нулю.

П РОТОКОЛ E THERNET. В ИТАЯ ПАРА Витая пара не была новым изобретением. До этого она уже многие десятки лет успешно использовалась в телефонии, ее перенос на почву Ethernet прошел только сентябре 1990 года, когда был официально принят стандарт 10baseT. Вполне естественно, что это была витая пара 3 категории, с очень большим, в десятки сантиметров, шагом скрутки проводов в паре, и небольшой, до 20 МГц, полосой пропускания. Компьютерные кабеля отличало только оформление - 4 пары под одной оболочкой. Немного позже, одновременно с появлением Fast Ethernet в 1995 году, был введен новый стандарт на кабель Категории 5 (Level 5), с шагом скрутки, меняющемся для разных пар от 12 до 32 мм (например, ряд от Lucent - 15, 13, 20, 24 мм). Делается это для уменьшения перекрестных наводок. Такой кабель обеспечивает передачу сигналов с частотой до 100 Мбит. Далее, появилась Категория 5е (до 125 МГц),

П РОТОКОЛ E THERNET. В ИТАЯ ПАРА

Проводники изготовлены из монолитной медной проволоки толщиной 0,5 - 0,65 мм. Толщина изоляции - около 0,2 мм, материал обычно поливинилхлорид (PVC), для более качественных образцов 5 категории - полипропилен (PP), полиэтилен (PE). Особенно высококлассные кабеля имеют изоляцию из вспененного (ячеистого) полиэтилена, которые обеспечивают низкие диэлектрические потери, или тефлона, который обеспечивающий уникальный рабочий диапазон температур. Внешняя оболочка имеет толщину 0,5-0,6 мм, и обычно изготавливается из привычного поливинилхлорида с добавлением мела, который повышает хрупкость. Это необходимо для точного облома по месту надреза лезвием отрезного инструмента. Кроме этого, начинают применяться так называемые "молодые полимеры", которые не поддерживают горения, и не выделяют при нагреве галогенов.

П РОТОКОЛ E THERNET. В ИТАЯ ПАРА Самый распространенный цвет оболочки - серый. Оранжевая окраска, как правило, указывает на негорючий материал оболочки. Отдельно нужно отметить маркировку. Кроме данных о производителе и типе кабеля, она обязательно включает в себя метровые или футовые метки Форма внешней оболочки так же может быть различна. Чаще других применяется самая простая - круглая, а для 2-х парных кабелей - овальная. Только для прокладки под половым покрытием, по очевидной причине, используется плоский кабель. Отдельно стоят кабеля для наружной прокладки. Они обязательно имеют влагостойкую оболочку из полиэтилена, которая наносится (как правило) вторым слоем поверх обычной, поливинилхлоридной. Кроме этого, возможно заполнение пустот в кабеле водоотталкивающим гелем, и бронирование с помощью гофрированной ленты.

П РОТОКОЛ E THERNET. В ИТАЯ ПАРА По наличию (или отсутствию) экрана, различают несколько типов кабелей: UTP (unshielded twisted pair), что означает незащищенная витая пара (НЗВП), то есть кабель, витые пары которого не имеют индивидуального экранирования; FTP (Foiled Twisted Pair) - фольгированная витая пара. Имеет общий экран из фольги, однако у каждой пары нет индивидуальной защиты; STP (shielded twisted pair) - защищенная витая пара (ЗВП), каждая пара имеет экран; ScTP (Screened Twisted Pair) - экранированный кабель, который может как иметь, так и не иметь защиту отдельных пар;

П РОТОКОЛ E THERNET. В ИТАЯ ПАРА Экран выполняется либо плетеным из медной проволоки (хорошая защищает от низкочастотных наводок), либо из токопроводящей фольги (пленки), которая блокирует высокочастотное электромагнитное излучение. Так же на практике часто используют двойные экраны (HIGHT Screen), в которых используются оба способа. Эффект от применения экрана на первый взгляд достаточно прост - уменьшение внешних наводок на экранированную пару (или несколько пар), и снижение уровня их электромагнитного излучения "наружу". Но общий экран вызывает рост NEXT (перекрестных наводок, подробно рассмотренных ниже) из-за отражения от экрана, на 10-20%. Далее, экранирование увеличивает затухание в кабеле вследствие добавочной емкости между экраном и витыми парами. Но и это не все. Монтаж экранированной системы значительно более сложен (дорог), требует хорошего подбора всех элементов. А самые незначительные ошибки способны ухудшить, а не улучшить параметры линии.

П РОТОКОЛ E THERNET. В ИТАЯ ПАРА

П РОТОКОЛ E THERNET Xerox Ethernet быстро набирает популярность, корпорации DEC, Intel и Xerox в 1978 году совместно разрабатывают стандарт DIX, описывающий Ethernet со скоростью 10 Мбит/c. Меткаф организовал фирму 3Com Стандарт DIX с 2 изменениями был принят IEEE (802.3)

П РОТОКОЛ E THERNET Март фирмой 3com представлен Ethernet-трансивер. Сентябрь первый сетевой адаптер для персонального компьютера появление спецификации IEEE 802.3, определена шинная топология сети 10base5 (толстый Ethernet) и 10base2 (тонкий Ethernet). Скорость передачи 10 Мбит/сек. Определено предельное расстояние между точками одного сегмента - 2,5 км выпущена вторая версия спецификации IEEE (Ethernet II), в которой были внесены небольшие изменения в структуру заголовка пакета. Сформирована жесткая идентификация Ethernet устройств (МАС - адреса). Сентябрь IEEE утверждает технологию 10baseT (витая пара) с физической топологией звезда и концентраторами (hub). Логическая топология CSMA/CD не изменилась. В основу стандарта легли разработки SynOptics Communications под общим названием LattisNet.

П РОТОКОЛ E THERNET

П РОТОКОЛ E THERNET. М АНЧЕСТЕРСКИЙ КОД