ELEMENTY SPRZĘTOWE SIECI I KODOWANIE (Wykl8)

FIZYCZNE ŁĄCZENIE KOMPUTERÓW

najprostsza sieć to połączenie komputerów przez fizyczne medium (przewód, światłowód) pokrywające mały obszar (budynek) lub duży (kontynent) , połączenie komputerów (węzłów) za pomocą medium to jedynie pierwszy krok istnieje 5 dalszych problemów, które muszą być rozwiązane zanim węzły będą w stanie wymienić pakiety; są to takie zagadnienia jak: kodowanie (encoding) bitów, tak aby mogły być zrozumiane przez komputer odbiorczy , rozpoznawanie ramek (framing) - sekwencja przesyłanych bitów tworzą komunikaty nazywane często ramkami (frames), które muszą być dostarczone do węzłów odbiorczych , wykrywanie błędów (error detection) - podczas transmisji ramki są czasami uszkadzane; trzeba wykryć błędy i podjąć określone działania niezawodna dostawa - należy tak zorganizować sieć, aby łącza wyglądały na niezawodne, niezależnie od faktu, że ramki czasami ulegają uszkodzeniom mediacja dostępu - jeżeli łącza są współdzielone przez wiele komputerów, inaczej niż łącza dwupunktowe, konieczna jest mediacja dostępu do łącza, co jest nazywane sterowaniem dostępu do medium (media access control)

Zagadnienia te znalazły swoje rozwiązanie w postaci trzech konkretnych technik sieciowych, określonych jako: sieci wielodostępu do łącza z badaniem stanu kanału, tzw. CSMA ( Carrier Sense Multiple Access) - najsłynniejszy przykład to Ethernet , sieci pierścieniowe ze znacznikiem (Token Ring) - najsłynniejszy przykład to FDDI ,łącza dwupunktowe Pięć wspomnianych wcześniej funkcji realizuje się w adapterze sieci, czyli w karcie przyłączonej z jednej strony do szyny wejścia / wyjścia w komputerze, a z drugiej strony do łącza fizycznego między adapterami wymieniane są bity, a między komputerami wymieniane są poprawne ramki adapter jest sterowany przez oprogramowanie uruchomione w węźle to oprogramowanie realizuje protokół umieszczony na dole grafu protokołów

Elementy sprzętowe sieci jak stwierdziliśmy wcześniej, dowolne sieci, te najprostsze (łącze dwupunktowe - łączy parę węzłów) jak też najbardziej złożone (światowa intersieć) są konstruowane z użyciem dwóch elementów : węzłów i łączy

Węzły to komputery ogólnego przeznaczenia: stacje robocze, system wielo procesorowy, komputer osobisty (PC); będziemy zakładali dalej, że węzeł to komputer typu stacja robocza na stacji roboczej można uruchamiać programy aplikacyjne na zewnątrz sieci konfigurować ją wewnątrz sieci, jako komutator przekazujący komunikaty z jednego łącza do drugiego

Przykład architektury stacji roboczej.

konfigurować ją jako ruter przekazujący pakiety intersieci od jednej sieci do drugiej

JAK WYGLĄDA STACJA ROBOCZA ?

Pamięć jej pamięć nie jest nieskończona; może posiadać 4 MB lub 128MB (to już dużo); pamięć jest jednym z dwóch brakujących zasobów sieci (drugim jest szerokość pasma łącza) jest ona zasobem deficytowym, bo węźle pracującym jako komutator lub ruter, pakiety muszą być buforowane w pamięci podczas oczekiwania na swoją kolej do transmisji pamięcią należy ostrożnie zarządzać, aby zapewnić sprawiedliwą dla każdego użytkownika przepustowość sieci

Adapter sieci każdy węzeł jest dołączany do sieci przez adapter sieci (network adapter) umieszczony na szynie wejścia / wyjścia (I/O bus) adapter sieci wymienia dane między pamięcią stacji i łączem w sieci adapterem steruje program obsługi urządzenia (device driver), uruchamiany na stacji roboczej

Jednostka centralna (CPU - Central Procesing Unit) jednostka centralna jest znacznie szybsza niż pamięć szybkość procesora podwaja się co 1.5 roku, szybkość pamięci rośnie tylko 7% rocznie tak więc, stacja robocza pracuje z szybkością określoną przez pamięć - ten fakt należy uwzględnić, gdy rozpatruje się wykonywanie w procesorze oprogramowania sieciowgo

ŁĄCZA

łącza sieci, bez względu na to jakie medium fizyczne reprezentują (skrętka, kabel koncentryczny, światłowód, przestrzeń w której propaguje się fale) służą do propagacji sygnałów Mówimy o łączach :cyfrowych (digital); sygnały przyjmują w nich wartości dyskretne (np. dodatnie i ujemne impulsy napięcia) , analogowych (analog); przenoszą one ciągłe sygnały elektromagnetyczne o zakresie, np. od 300 Hz do 3300 Hz (zakres telefonii głosowej) .Łącza cyfrowe i analogowe zapewniają możliwość transmisji wszystkich rodzajów informacji, w tym danych binarnych, o których mówimy wtedy, że są zakodowane (encoded) Z kodowaniem są związane takie urządzenia jak: modem (skrót od modulator / demodulator), który koduje dane binarne na sygnał analogowy po stronie nadawczej, a sygnał analogowy z powrotem na dane binarne po stronie odbiorczej , nadajnik cyfrowy (digital transmitter), który transmituje dane binarne (cyfrowe) na łączu cyfrowym. Łącze dwupunktowe nazywamy półdupleksowym (half - duplex), gdy tylko jeden strumień bitów jest transmitowany w danym czasie, pełnodupleksowym ( full - duplex), gdy dwa strumienie bitów mogą być jednocześnie transmitowane przez łącza w tym samym czasie, z tym ze każdy z nich w innym kierunku; zakładamy dalej, że wszystkie łącza dwupunktowe są pełnodupleksowe

Powszechne typy kabli i światłowodów dostępnych dla łączy lokalnych

inna cechą łącza jest jego zasięg zasięg łącza zależy od echniki jaka mamy zamiar wykorzystać do transmisji danych w łączu, oraz związanego z nią typu kabla eżeli dwa węzły, które chcemy połączyć znajdują się dostatecznie daleko, w grę wchodzi raczej dzierżawienie łącza od firmy telekomunikacyjnej

Powszechne szerokości pasma dostępne w firmach telekomunikacyjnych.

ISDN (Intergrated Service Digital Network - sieć cyfrowa z integracją usług) - oferowana szerokość pasma jest powszechnie stosowana do transmisji głosu przetworzonego na postać cyfrową, czyli głosu zdyskretyzowanego (digitized voice); sieć obsługuje głos oraz dane

T1 jest równoważna 24 cyfrowym obwodom głosowym, a T3 jest równoważna 30 łączom T1

STS - N (Synchronous Transport Signal - sygnał transportu synchronicznego) to łącze śiatłowodowe

wszystkie powyższe łącza, to łącza cyfrowe. Wszystkie, z wyjątkiem ISDN, są wydzierżawione jako łącza dedykowane, a więc zawsze dostępne Alternatywą tych łączy jest stosowanie modemu do transmisji danych binarnych na konwencjonalnym, analogowym, wybieranym, głosowym łączu telefonicznym techniki modemowe ostatnio znacznie się polepszyły, jednak uważa się, że maja one ograniczony potencjał i nie oczekuje się ich znaczącego rozwoju dzierżawione łącza, to łącza sieci mający swój historyczny wymiar, sieci gdzie stosuje się techniki komutacji kanałów, przede wszystkim, mające charakter analogowy . Nowe trendy w budowie sieci to sieci z komutacją pakietów; stosuje sie tu kilka technik komutacji, np. opartej na trybie przesyłania asynchronicznego (ATM - Asynchronus Transfer Mode)

Przepływ sygnałów miedzy składnikami sygnalizacji, przepływów bitów między

Adapterami

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

KODOWANIE (NRZ, NRZI, MANCHESTERSKIE, 4B / 5B)

węzły transmituja do siebie bity używając do tego łącza fizycznego łącze fizyczne jako takie propaguje sygnały elektryczne należy więc kodować w jakiś sposób dane binarne w sygnały elektryczne, które mogą być dalej propagowane, a następnie dekodować je z powrotem na dane binarne, w węźle odbiorczym adapter sieci zawiera składnik sygnalizacji, który koduje (dekoduje) bity na sygnały tak więc sygnały przechodzą między składnikami sygnalizacji, a bity przepływają między adapterami sieci w łączu cyfrowym operujemy dwoma sygnałami dyskretnymi (wysokim i niskim) należy odwzorować wartość danych 1 na sygnał wysoki, a wartość danych 0 na sygnał niski

#1

Takie odwzorowanie zastosowano w schemacie kodowania zwanym bez powrotu do zera (NRZ - non - return to zero) taki sposób kodowania rodzi problemy długi ciąg zer odznaczający się przedłużonym niskim sygnałem, może oznaczać faktycznie nieobecność sygnału; w rezultacie, odbiornik nie jest w stanie rozróżnić miedzy długim ciągiem zer i łączem bez napięcia podtrzymywany wysoki sygnał (długi ciąg jedynek) może być też kłopotliwy, ponieważ odbiornik stosuje średni poziom sygnału, zwany poziomem odniesienia (baseline) w celu rozróżnienia między wysokim a niskim sygnałem; zbyt wiele kolejnych jedynek powoduje zmieniane się wspomnianej średniej wartości, co jest nazywane wędrówką poziomu odniesienia (baseline wander) Częste przejścia od wysokiego do niskiego sygnału i odwrotnie są konieczne do zapewnienia odzyskiwania zegara (clock recovery) procesy kodowania i dekodowania są sterowane zegarem - w pojedynczym cyklu zegara nadajnik transmituje bit, a odbiornik odzyskuje bit zegary odbiornika i nadajnika muszą być precyzyjnie zsynchronizowane; w przeciwnym wypadku dekodowanie sygnału nie będzie poprawne

Różne strategie kodowania

impuls zegara można by przesłać do odbiornika na oddzielnym przewodzie (rośnie koszt okablowania) dlatego odbiornik odzyskuje impuls zegara z odbieranego sygnału - w procesie odzyskiwania zegara Odzyskiwanie zegara : gdy sygnał zmienia się (od 1 do 0, od 0 do 1 ) wtedy odbiornik wie, że jest to granica cyklu zegarowego i może się ponownie zsynchronizować długi okres bez takiego przejścia prowadzi do dryfowania zegara (clock drift)

#2

jedno z możliwych rozwiązań problemu - kodowanie nazywane odwróconym bez powrotu zegara (non - return to zero inver - ted - NRZI) nadajnik dokonuje przejścia z istniejącego poziomu sygnału w celu zakodowania jedynki, a pozostaje na istniejącym poziomie sygnału w celu zakodowania zera rozwiązuje to problem jedynek, ale nie rozwiązuje problemu kolejnych zer

#3

alternatywne rozwiązanie to kodowanie manchesterskie [t][t] (Manchester [t][t] encoding) scala się tu zegar z sygnałem za pomocą operacji różnicy symetrycznej (exlusive - OR) na danych kodowanych w schemacie NRZ i na zegarze wyobraźmy sobie tutaj zegar lokalny, jako sygnał zmieniający się z poziomu niskiego na wysoki, a parę niski/wysoki uznajemy za jeden cykl zegara widać (patrz rysunek), ze to kodowanie powoduje, że 0 jest kodowane jako przejście z poziomu niskiego na wysoki, a 1 jako przejście z poziomu wysokiego na niski - zegar może być efektywnie odzyskiwany

problemy związane z kodowaniem manchesterskim podwaja on szybkość, z jaką przejścia sygnału są dokonywane w łączu w wyniku tego odbiornik dysponuje jedynie połową czasu na wykrycie każdego impulsu sygnału; szybkość z jaką sygnał się zmienia jest nazywana szybkością modulacji łącza; w przypadku tego kodowania, szybkość transmisji danych jest równa połowie szybkości modulacji -> tak więc kodowanie jest sprawne tylko w 50%

#4

kodowanie 4B/5B próbuje wyeliminować problemy związane z poprzednimi rodzajami kodowania idea kodowania: wprowadzenie dodatkowych bitów do strumienia bitów w celu przerwania długich sekwencji zer albo jedynek każde 4 bity rzeczywistych danych są zakodowane przez 5-bitowy kod nadawany do odbiornika, stąd 4B/5B kody 5-bitowe są wybrane w taki sposób, ze każdy z nich ma nie więcej niż jedno zero na początku i nie więcej niż dwa zera na końcu (patrz, tablica) dlatego, gdy kody te są przesyłane jeden po drugim, żadna z par 5-bitowych kodów nie zawiera więcej niż trzy kolejne zera ;powstałe 5-bitiwe kody są następnie nadawane z wykorzystaniem schematu kodowania NRZI, co rozwiązuje problem kolejnych jedynek sprawność kodu

Z tabeli kodowanie 4B/5B wynika, że tylko 16 kodów spośród 32 jest wykorzystywanych - można je więc wykorzystać do innych celów 11111 stosuje się do sygnalizacji, że łącze jest bezozynne (idle) 00000 - łącze jest martwe (dead) 00100 - kod zatrzymania (halt) siedem kodów to kody nie ważne - naruszają one reguły zer pozostałe sześć kodów reprezentuje różne symbole sterujące

---