sieci_komputerowe.doc

Sieci komputerowe

              Przez sieć komputerową rozumiemy wszystko to, co umożliwia komputerom lub innym elektronicznym urządzeniom komunikowanie się ze sobą oraz współdzielenie zasobów (np. dysków, drukarek).

Będziemy rozważać głównie kategorie sieci:

·         LAN (Local Area Networks) – sieci lokalne.

·         WAN (Wide Area Networks) – sieci rozległe.

·         Wirless LAN – Sieci bezprzewodowe.

Jako przybliżone, nieprecyzyjne kryterium rozróżnienia przyjmuje się odległości między łączonymi komputerami, np. komputery z kilku sąsiadujących budynków łączone są siecią LAN.

Wyróżnia się jeszcze MAN (Metropolitan Area Networks) – sieci miejskie.

Rodzaje sieci komputerowych:

·         asymetryczne/dedykowane, w których jeden z komputerów (tzw. serwer sieciowy) odgrywa rolę nadrzędną i nadzoruje pracę sieci (zobacz: architektura klient-serwer)

·         symetryczne/równorzędne "peer to peer" (skrót P2P), w których wszystkie komputery mają jednakowe uprawnienia.

Sprzętowe elementy składowe sieci komputerowych.

Podstawowymi elementami sprzętowymi są:

a)     urządzenia transmisji,

b)     urządzenia dostępu,

c)      urządzenia wzmacniające, filtrujące i kierujące przesyłane sygnały.

Urządzenia transmisji to nośniki transportu sygnałów przesyłanych przez sieć. Są to na przykład kable koncentryczne, skrętki dwużyłowe, kable światłowodowe, ale też powietrze (przesyłanie fal radiowych, mikrofal, światła).

Urządzenia transmisji będą jeszcze omawiane w dalszej części wykładu (m. in. w części powiązanej z warstwą fizyczną sieci – patrz model OSI)

Urządzenia dostępu do nośnika transmisji są odpowiedzialne za formatowanie danych tak, by nadawały się do przesyłania poprzez nośnik transmisji, umieszczanie tych danych w nośniku transmisji oraz odbieranie odpowiednio zaadresowanych danych.

W sieci LAN urządzeniami takimi są karty sieciowe. Karty sieciowe opakowują dane w tzw. ramki.

Urządzenia wzmacniające, filtrujące i kierujące przesyłane sygnały.

Sygnały umieszczane w nośniku transmisji, np. sygnały elektryczne w kablu ulegają zakłóceniom – tłumieniu i zniekształceniu.

Tłumienie to osłabienie siły sygnału, zniekształcenie to niepożądana zmiana kształtu przebiegu czasowego.

Jednym ze sposobów unikania tłumienia jest ograniczenie długości połączeń (kabli). Innym sposobem jest zainstalowanie wzmacniaka (repeater). Wzmacniak odczytuje przesyłane sygnały, wzmacnia je i wysyła z powrotem do sieci. Stosuje się również koncentratory  pasywne (passive hubs) łączące komputery i inne urządzenia w topologii gwiazdy i zmniejszające odległości między skrajnymi komputerami w sieci LAN. Koncentratory aktywne (active hubs, czasami nazywane multiport repeaters) są połączeniem koncentratorów pasywnych i wzmacniaków. Współcześnie większość koncentratorów wzmacnia sygnały.

Przeciwdziałanie zniekształceniom polegają na przestrzeganiu zaleceń dotyczących nośnika, korzystaniu z protokołów obsługujących korektę błędów transmisji.

Zadania filtrujące i kierujące sygnały spełniają takie urządzenia jak: pomosty - bridges, przełączniki – switch’e, routery, broutery, bramy gateways.

MEDIA TRANSMISYJNE

Skrętka nieekranowana (UTP – Unshielded Twisted Pair)

Kabel typu UTP jest zbudowany ze skręconych ze sobą par przewodów i tworzy linię zrównoważoną

(symetryczną). Skręcenie przewodów ze splotem 1 zwój na 6-10 cm chroni transmisję przed interferencją otoczenia. Tego typu kabel jest powszechnie stosowany w sieciach informatycznych i telefonicznych, przy czym istnieją różne technologie splotu, a poszczególne skrętki mogą mieć inny skręt. Dla przesyłania sygnałów w sieciach komputerowych konieczne są skrętki kategorii 3 (10 Mb/s) i kategorii 5 (100 Mb/s), przy czym powszechnie stosuje się tylko tą ostatnią.

Skrętka foliowana (FTP – Foiled Twisted Pair)

Jest to skrętka ekranowana za pomocą folii z przewodem uziemiającym. Przeznaczona jest głównie do budowy sieci komputerowych umiejscowionych w ośrodkach o dużych zakłóceniach elektromagnetycznych. Stosowana jest również w sieciach Gigabit Ethernet (1 Gb/s) przy wykorzystaniu wszystkich czterech par przewodów.

Skrętka ekranowana (STP – Shielded Twisted Pair)

Różni się od skrętki FTP tym, że ekran jest wykonany w postaci oplotu i zewnętrznej koszulki ochronnej. Jej zastosowanie wzrasta w świetle nowych norm europejskich EMC w zakresie emisji EMI (ElectroMagnetic Interference). Poza wyżej wymienionymi można spotkać także hybrydy tych rozwiązań:

FFTP – każda para przewodów otoczona jest osobnym ekranem z folii, cały kabel jest również pokryty folią.

SFTP – każda para przewodów otoczona jest osobnym ekranem z folii, cały kabel pokryty jest oplotem.

Kategorie kabli miedzianych

Kategorie kabli miedzianych zostały ujęte w specyfikacji EIA/TIA w kilka grup, w których przydatność do transmisji określa się w MHz:

• kategoria 1 – tradycyjna nieekranowana skrętka telefoniczna przeznaczona do przesyłania głosu, nie

przystosowana do transmisji danych;

• kategoria 2 – nieekranowana skrętka, szybkość transmisji do 4 MHz. Kabel ma 2 pary skręconych

przewodów;

• kategoria 3 – skrętka o szybkości transmisji do 10 MHz, stos. w sieciach Token Ring (4 Mb/s) oraz Ethernet

10Base-T (10 Mb/s). Kabel zawiera 4 pary skręconych przewodów;

• kategoria 4 – skrętka działająca z szybkością do 16 MHz. Kabel zbudowany jest z czterech par przewodów;

• kategoria 5 – skrętka z dopasowaniem rezystancyjnym pozwalająca na transmisję danych z szybkością

100 MHz pod warunkiem poprawnej instalacji kabla (zgodnie z wymaganiami okablowania strukturalnego)

na odległość do 100 m.

• kategoria 6 – skrętka umożliwiająca transmisję z częstotliwością do 200 MHz;

• kategoria 7 – kabel o przepływności do 600 MHz. Będzie wymagać już stosowania nowego typu złączy w miejsce RJ-45 oraz kabli każdą parą ekranowaną oddzielnie.

Kabel współosiowy (koncentryczny)

Początkowo stosowany był jako zamiennik dla standardu ARCnet. Składa się z dwóch przewodów

koncentrycznie umieszczonych jeden wewnątrz drugiego, co zapewnia większą odporność na zakłócenia a tym samym wyższą jakość transmisji. Powszechnie stos. się dwa rodzaje kabli koncentrycznych – o impedancji falowej 50 i 75 Ohm, przy czym te pierwsze stosuje się m.in. w sieciach komputerowych. Obecnie kabel współosiowy jest stosowany tylko w bardzo małych sieciach (do 3-4 komputerów) stawianych możliwie

najniższym kosztem. Wadą tego rozwiązania jest dosyć duża (w porównaniu z siecią na skrętce) awaryjność instalacji.

Kabel światłowodowy

Transmisja światłowodowa polega na prowadzeniu przez włókno szklane promieni optycznych generowanych przez laserowe źródło światła. Ze względu na znikome zjawisko tłumienia, a także odporność na zewnętrzne pola elektromagnetyczne, przy braku emisji energii poza tor światłowodowy, światłowód stanowi obecnie najlepsze medium transmisyjne.

Medium transmisyjne światłowodu stanowi czyste szklane włókno kwarcowe wykonane z dwutlenku krzemu (o przekroju kołowym), w którym światło jest zamknięte przez otoczenie nieprzezroczystym płaszczem centralnie położonego rdzenia. Dla promieni świetlnych o częstotliwości w zakresie bliskim podczerwieni współczynnik odbicia światła w płaszczu jest mniejszy niż w rdzeniu, co powoduje całkowite wewnętrzne odbicie promienia i prowadzenie go wzdłuż osi włókna.

Światłowód zbudowany jest ze specjalnego rodzaju szkła kwarcowego. Główną jego częścią jest rdzeń, który okrywa płaszcz i warstwa ochronna. Czasami rdzeń składa się z wielu włókien.Zasada działania światłowodu polega na użyciu dwóch materiałów przewodzących światło o różnych współczynnikach załamania. Współczynnik załamania w rdzeniu jest nieco wyższy niż w płaszczu. Promień świetlny przemieszcza się cały czas w rdzeniu, ponieważ następuje całkowite wewnętrzne odbicie promień odbija się od płaszczyzny przejścia rdzenia do płaszcza. Wokół płaszcza znajduje się izolacja ochronna. Światłowody wykonuje się zasadniczo jako jednomodowe i wielomodowe. Światłowody wielomodowe, można podzielić na dwa typy: o współczynniku skokowym i gradientowym najczęściej spotykane są światłowody o płynnej zmianie współczynnika załamania pomiędzy rdzeniem a płaszczem, czyli gradientowe.

Transmisja światłowodowa polega na przekazaniu wiązki światła, którego źródłem może być laser lub dioda LED. Po drugiej stronie światłowodu jest ona odbierana przez element światłoczuły np. fotodiodę. Aby zapewnić prawidłową i szybką transmisję, wiązka światła jest modulowana. Zapobiega to mogącym pojawiać się zniekształceniom sygnału.

Światłowody dzieli się na jedno i wielo modowe oraz na wewnętrzne i zewnętrzne. Pierwszy podział wynika z ilości przesyłanych modów (fal).

Standardy

Ethernet to standard wykorzystywany w budowie lokalnych sieci komputerowych. Obejmuje on specyfikację kabli oraz przesyłanych nimi sygnałów. Ethernet opisuje również format pakietów i protokoły z dwóch najniższych warstw Modelu OSI. Jego specyfikacja została podana w standardzie 802.3 IEEE. Ethernet jest najpopularniejszym standardem w sieciach lokalnych. Inne wykorzystywane specyfikacje to Token Ring, FDDI czy Arcnet. Ethernet został opracowany w Xerox PARC czyli ośrodku badawczym firmy Xerox i opublikowany w roku 1976. Ethernet bazuje na idei węzłów podłączonych do wspólnego medium i wysyłających i odbierających za jego pomocą specjalne komunikaty (ramki). Ta metoda komunikacji nosi nazwę CSMA/CD (ang. Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection). Wszystkie węzły posiadają unikalny adres MAC.

Klasyczne sieci Ethernet mają cztery cechy wspólne. Są to: parametry czasowe, format ramki, proces transmisji oraz podstawowe reguły obowiązujące przy ich projektowaniu.

Istnieją 4 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,

·         IEEE 802.x LLC/SNAP.

Ramki różnią się pomiędzy sobą długościami nagłówków, maksymalną długością ramki (MTU) i innymi szczegółami. Różne typy ramek mogą jednocześnie korzystać z tej samej sieci.

Wersje 10 Mbit/s

·         10BASE2 zwany też ang. ThinNet, Cheapernet lub "cienki koncentryk" - używa kabla koncentrycznego o średnicy ok. 5 mm. Kabel musi biec pomiędzy wszystkimi kartami sieciowymi wpiętymi do sieci. Karty podłącza się za pomocą tzw. "trójnika", do którego podpina się także kabel za pomocą złącz BNC. Na obu końcach kabla montowany jest dławik (tzw. "terminator") o impedancji 50 Ohm. Maksymalna długość segmentu wynosiła 185 m. chociaż rozwiązania niektórych firm np. 3COM dopuszczały 300 m. Przez wiele lat była to dominująca forma sieci Ethernet. Jej wadą było to, że uszkodzenie kabla w jednym miejscu powodowało zanik dostępu do sieci w całym segmencie.

·         StarLAN 10 - pierwsza implementacja kabla typu 'skrętka' przy szybkości 10 Mbit/s.

·         10Base-T - pracuje na 4 żyłach (2 pary 'skrętki') kategorii 3 lub 5. Każda karta sieciowa musi być podłączona do huba lub switcha. Maksymalna długość kabla wynosi 100 m. W przeciwieństwie do 10BASE2 awaria kabla w jednym miejscu powodowała zanik dostępu do sieci tylko jednego komputera dlatego 10Base-T wyparł 10Base2.

·         FOIRL - (ang. Fiber-optic inter-repeater link) - pierwotny standard Ethernetu za pomocą światłowodu.

·         10BASE-F - rodzina standardów 10BASE-FL, 10BASE-FB i 10BASE-FP Ethernetu za pomoca światłowodu.

·         10BASE-FL - ulepszony standard FOIRL. Jedyny z szeroko stosowanych z rodziny 10BASE-F.

·         10BASE-FB - przeznaczony do łączenia hubów lub switchy, przestarzały.

·         10BASE-FP - do sieci nie wymagających elementów aktywnych (hubów, switchy), Nigdy nie zaimplementowany.

Fast Ethernet

·         100BASE-T - rodzina 3 standardów Ethernetu 100 Mb/s na kablu typu skrętka obejmująca 100BASE-TX, 100BASE-T4 i 100BASE-T2.

·         100BASE-TX - podobny do 10BASE-T, ale z szybkością 100 Mb/s. Wymaga 2 par skrętki i kabli kategorii 5. Obecnie jeden z najpopularniejszych standardów sieci opartych na 'skrętce'.

·         100BASE-T4 - Używa 4 par 'skrętki' kategorii 3. Obecnie przestarzały.

·         100BASE-T2 - Miał używać 2 par 'skrętki' kategorii 3 jednak nie ma sprzętu sieciowego wspierajacego ten typ Ethernetu.

·         100BASE-FX - Ethernet 100 Mb/s za pomocą włókien światłowodowych.

Gigabit Ethernet

·         1000BASE-T - 1 Gb/s na kablu miedzianym kat. 5 lub wyższej. Ponieważ kabel kategorii 5e może bez strat przenosić do 125 Mbit na sekundę, osiagniecie 1000 Mb/s wymaga użycia czterech par przewodów oraz modyfikacji układów transmisyjnych dającej mozliwość trasmisji ok 250Mb/s na jedną parę przewodów w skrętce.

·         1000BASE-SX - 1 Gb/s na światłowodzie (do 550 m).

·         1000BASE-LX - 1 Gb/s na swiatłowodzie (do 550 m). Zoptymalizowany dla połączeń na dłuższe dystanse (do 10 km) za pomocą światłowodów jednomodowych.

...