Implementacja UTP

Jeśli przyjrzeć się złączu RJ-45 będącemu zakończeniem kabla UTP, można zobaczyć osiem kolorowych przewodów. Są one skręcone w cztery pary okryte jedną powłoką. Cztery przewody to przewodniki końcowe (od T1 do T4), a pozostałe cztery przewody to przewodniki pierścieniowe (od R1 do R4). Terminy te pochodzą z wczesnych dni teleko­munikacji. Dzisiaj odnoszą się do przewodów dodatnich i ujemnych w każdej parze. Przewody w pierwszej parze kabla lub złącza są opisane jako T1 i R1, następna para to T2 i R2, i td.

Złącze RJ-45 to męski interfejs na końcu kabla. Patrząc na nie z przodu, miejsca wtyków są oznaczone od lewej do prawej numerami od 8 do 1.

Wtyczka to żeński komponent urządzenia sieciowego, gniazda ściennego lub panelu rozdzielczego. Patrząc na port urządzenia, odpowiednie miejsca połączeń są oznaczone od lewej do prawej numerami od 1 do 8.

Aby miedzy złączem a wtyczką mogła przepływać elektryczność, kolejność przewo­dów musi spełniać standardy EIA/TIA-568-A i 568-B: dobór odpowiedniej kategorii EIA/TIA kabla, jeden z: Kabel prosty / Kabel krzyżowy.

Kabel prosty

zachowuje połączenie z igieł na całej długości, dlatego ten sam przewód jest połączony z igłą numer 1 na obu końcach kabla.

Kabel prosty jest używany do łączenia takich urządzeń jak komputery osobiste lub routery z innymi urządzeniami, na przykład koncentratorami (hubami) lub switchami (przełącznikami): wtedy, gdy tylko jeden port jest oznaczony jako x

Kabel krzyżowy

krzyżuje najważniejszą parę przewodów w celu prawidłowego dopa­sowania, transmisji i odbioru sygnałów na urządzeniach o podobnych połączeniach. Złą­cza RJ-45 pokazują na obu końcach, że niektóre przewody po jednej stronie kabla są przekierowane do innego wtyku po drugiej stronie kabla. Konkretnie w przypadku Ethernet, wtyk numer 1 na jednym końcu RJ-45 powinien być połączony z wtykiem numer 3 na drugim końcu; wtyk numer 2 na jednym końcu powinien być połączony z wtykiem numer 6 na drugim końcu.

Kabel krzyżowy może być wykorzystany do łączenia podobnych urządzeń: przełącz­nika z przełącznikiem, przełącznika z koncentratorem, koncentratora z koncentratorem, routera z routerem lub komputera z komputerem (gdy oba porty są oznaczone jako x lub żaden z nich nie jest oznaczony jako x)

Technologie LAN

W tej książce prezentujemy trzy technologie LAN: Ethernet, Token Ring i FDDI. Wszystkie te technologie wykorzystują różne elementy i urządzenia warstwy 1. Ethernet, Fiber Distributed Data Interface (FDDI) i Token Ring są szeroko stosowanymi technolo­giami LAN. Standardy LAN określają sposób okablowania i przepływu sygnałów w warstwach fizycznej i łącza danych modelu odniesienia OSI. Koncentrujemy się na standardach LAN Ethernet i IEEE 802.3.

Standardy LAN Ethernet (Xerox 1970rok) i IEEE 802.3

Ethernet to najbardziej popularny standard LAN. Sieci Ethernet LAN mają miliony urządzeń lub węzłów. Wczesne sieci LAN wymagały niewielkiego pasma do przeprowa­dzania prostych zadań sieciowych: wysyłania i odbioru poczty elektronicznej, przesyłania plików danych oraz obsługi drukarek.

W roku 1980 organizacja Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE) wy­dała specyfikację IEEE 802.3. Technologiczną bazą tej specyfikacji był Ethernet. Wkrótce potem firmy Digital Eąuipment Corporation, Intel Corporation i Xerox Corporation wspólnie opracowały i wydały specyfikację Ethernet (wersję 2.0), zasadniczo kompatybil­ną z IEEE 802.3. Ethernet i IEEE 802.3 panują w dziedzinie standardów LAN.

Sieci LAN Ethernet przenoszą dane między urządzeniami sieciowymi, na przykład komputerami, drukarkami i serwerami plików. Ethernet to technologia oparta na wspól­nych mediach; oznacza to, że wszystkie urządzenia są połączone z tym samym medium lub kablem.

Sieci LAN a warstwa fizyczna

Ethernet początkowo był opracowany, aby wypełnić przestrzeń między powolnymi, odległymi sieciami, a sieciami wyspecjalizowanymi, działającymi w jednej sali, które przenosiły dane na niewielką odległość z dużą prędkością. Ethernet działa dobrze w sytu­acjach, gdzie medium lokalnej komunikacji musi sporadycznie przenosić dane, często pod­czas wysokiego natężenia ruchu.

Standardy Ethernet i IEEE 802.3 definiują topologię magistrali dla sieci LAN, która działa przy podstawowym współczynniku przesyłu sygnału wynoszącym 10 Mb/s nazy­wanym 10Base, Base - w paśmie podstawowym.

• 10Base2 - znany jako cienki Ethernet; zezwala na segmenty sieciowe do 185 m na kablu koncentrycznym.

• 10Base5 - znany jako gruby Ethernet; zezwala na segmenty sieciowe do 500 m na kablu koncentrycznym.

• 10BaseT - przenosi Ethernet na niedrogim okablowaniu skrętkowym.

• 100BaseT4 - fast Ethernet, wykorzystywał 8 drutów skrętki kat.3

• 100BaseTX - szybki Ethernet, 2 pary UTP kat.5

• Gibabit Ethernet - 1000Mb/s

• 100BaseFX - fiber, światłowód

Standardy 10Base5 i 10Base2 zapewniają dostęp do wielu stacji w tym samym seg­mencie. Stacje 10Base5 (gruby Ethernet) są połączone z segmentem za pomocą kabla biegnącego od modułu interfejsu (AUI) w stacji do urządzenia nadawczo-odbiorczego połączonego bezpośrednio z kablem koncentrycznym Ethernet. W przypadku grubego Ethernetu i 10BaseT, AUI i urządzenie nadawczo-odbiorcze są umieszczone w samej stacji (na karcie NIC), więc kabel nie jest wymagany. Ponieważ standard 10BaseT zapew­nia dostęp tylko do jednej stacji, stacje połączone z siecią Ethernet LAN w oparciu o tech­nologię 10BaseT są połączone z przełącznikiem lub koncentratorem. W układzie wyko­rzystującym koncentrator, jest on odpowiednikiem segmentu Ethernet.

	10Base2	10Base5	10BaseT	100BaseTX	100BaseFX
Media	Cienki kabel koncentryczny RG-8, RG-11	Gruby kabel koncentryczny RG-58 A/U	TIA/EIA UTP kat 3, 4, 5, i 5e, 2 pary	TIA/EIA UTP kat 5 i 5e, 2 pary	62.2/125-mikronowe włókno wielofunkcyjne
Typ złącza	złącze BNC	AUI/DIX (do urządzenia nadawczo-odbiorczego)	modularne złącze RJ-45	modularne złącze RJ-45	złącze interfej­su w systemie duplex (MIC) ST
Maksymalna długość segmentu	185m	500m	100m	100m	412m
Topologia	Magistrala	Magistrala	Gwiazda	Gwiazda	Punkt-Punkt
Szybkość transmisji	10 Mb/s	10 Mb/s	10 Mb/s	100 Mb/s	100 Mb/s

Technologie Ethernet 10BaseT przenoszą ramki Ethernet za pośrednictwem niedro­giego okablowania skretkowego. Są cztery elementy pasywne:

• Okablowanie

• Złącza

• Gniazda

• Panele rozdzielcze

i trzy urządzenia (aktywne):

• Urządzenia nadawczo-odbiorcze (ang. transceiver)

• Wzmacniaki

• Wzmacniaki wieloportowe (koncentratory)

Okablowanie, złącza i gniazda

Standardowy kabel 10BaseT do skrętka kategorii 5, zbudowana z czterech skręconych par przewodów redukujących problemy związane z powstawaniem szumów. Kabel kate­gorii 5 jest cienki, niedrogi i łatwy do zainstalowania. Zadaniem kabla kategorii 5 jest transmisja bitów w postaci sygnałów - dlatego jest to komponent warstwy 1.

Standardowym zakończeniem kabla 10BaseT jest zarejestrowane złącze RJ-45. Redu­kuje ono szum, odbicie oraz problemy związane z mechaniczną stabilnością. Jest podobne do wtyczki telefonicznej, ale zamiast czterech przewodów, ma ich osiem. Jest ono pasyw­nym elementem sieciowym, ponieważ służy tylko jako ścieżka przewodząca między czte­rema parami skrętki kategorii 5 a igłami złącza RJ-45. Jest uważane za komponent war­stwy 1, a nie urządzenie, ponieważ służy tylko jako ścieżka przewodząca sygnały.

Gniazdo RJ-45 pasuje do złącza RJ-45. Złącze RJ-45 ma osiem przewodów, które łą­czą się z gniazdem RJ-45. Z jednej strony RJ-45 znajduje się blok wkładany do gniazda, w którym przewody są od siebie rozdzielane do odrębnych otworów za pomocą narzędzia przypominającego widelec, zwanego punktakiem (ang. punch-down tool). Daje to mie­dzianą ścieżkę przewodzącą dla sygnałów. Złącze RJ-45 to komponent warstwy 1.

Panele rozdzielcze

Panele rozdzielcze to wygodne zgrupowanie złącz RJ-45. Zawierają one 12, 24 lub 48 portów. Przednia strona to złącza RJ-45; z tyłu znajdują się bloki zapewniające łączność lub ścieżki przewodzące. Są one klasyfikowane jako elementy warstwy 1.

Urządzenia nadawczo-odbiorcze

Urządzenie nadawczo-odbiorcze to połączenie nadajnika i odbiornika. W zastosowaniach sieciowych oznacza to, że konwertują jedną postać sygnału do innej. Na przykład, wiele urządzeń sieciowych ma port pomocniczy oraz urządzenie nadawczo-odbiorcze pozwalające na podłączenie do portu 10Base2, 10Base5, 10BaseT lub 10/100BaseFX. Częstym zastosowaniem jest konwersja portów AUI na porty RJ-45. Są to urządzenia warstwy 1. Wykonują transmisję sygnałów z jednej konfiguracji wtyków i/lub mediów do innej;. Urządzenia nadawczo-odbiorcze często są wbudowane w karty NIC. Urządzenia na kartach NIC są nazywane komponentami sygnałów, co oznacza, że szyfrują sygnały dla medium fizycznego.

Wzmacniaki

Powielacze regenerują i przedłużają trwanie sygnałów, przez co zwiększają odległość na jaką sygnały mogą wędrować w czystej, rozpoznawalnej postaci. Wzmacniaki zajmują się tylko pakietami na poziomie bitów; dlatego są urządzeniami warstwy 1. Wzmacniaki to urządzenia sieci rozległych, które istnieją w warstwie fizycznej (warstwie 1) modelu OSI. Mogą zwiększyć liczbę węzłów podłączonych do sieci, tym samym zwiększając odległo­ści. Wzmacniaki odnawiają kształt, regenerują oraz przedłużają w czasie sygnały przed wysłaniem ich dalej.

Wadą wzmacniaków jest to, że nie mogą one filtrować ruchu sieciowego. Sygnały przybywające do jednego portu powielacza są wysyłane przez wszystkie pozostałe porty. Dane są przekazywane do wszystkich segmentów sieci LAN, niezależnie od tego, czy powinny tam trafić.

Wzmacniaki wieloportowe (koncentratory)

stanowią kombinację możliwości łączenia z możliwościa­mi wzmacniania i wydłużania życia sygnałów. Koncentrator zawiera zazwyczaj 4, 8, 12 lub 24 porty. Dzięki temu można tanio i łatwo połączyć ze sobą wiele urządzeń. Wzmacniaki wieloportowe są zwykle nazywane koncentratorami w sytuacjach gdy są one uży­wane jako centrum sieci w topologii gwiazdy. Koncentratory są popularnymi urządzenia­mi sieciowymi. Ponieważ typowy koncentrator wymaga tylko zasilania i podłączenia złączy RJ-45 (są takie ze złączmi BNC, AUI), jest doskonały do szybkiego tworzenia sieci. Tak jak wzmacniaki, koncen­tratory zajmują się tylko sygnałami i są urządzeniami warstwy 1.

Wszystkie te urządzenia - pasywne i aktywne - tworzą sygnały lub je przenoszą. Nie rozpoznają żadnych wzorów informacji w sygnale, żadnych adresów, żadnych danych. Ich zadaniem jest tylko dokonanie transmisji sygnałów. Warstwa 1 jest fundamentalną war­stwą dla rozwiązywania problemów sieciowych. Wiele problemów sieciowych sprowadza się do niewłaściwych złączach RJ-45, wtyczek, powielaczy, wzmacniaków lub urządzeń nadawczo-odbiorczych.

Kolizje i domeny kolizji w środowiskach opartych na wspólnym medium

Istnieje kilka rodzajów bezpośrednio połączonych sieci:

• Środowisko oparte na wspólnych mediach - Jest to takie środowisko, w którym wiele hostów ma dostęp do tego samego medium. Na przykład, jeśli do tego samego fizycznego przewodu lub światłowodu podłączonych jest kilka komputerów lub mają one wspólną przestrzeń powietrzną, korzystają one z tego samego środowiska me­diów. Czasem można usłyszeć zdanie „wszystkie komputery są na tym samym prze­wodzie". Oznacza to, że wszystkie komputery mają wspólne media, nawet jeśli „przewodem" jest UTP kategorii 5, który składa się z czterech par przewodów.

Rozszerzone środowisko oparte na wspólnych mediach - Jest to specjalny rodzaj środowiska wspólnych mediów, w którym urządzenia sieciowe (wzmacniaki) mogą rozszerzyć środowisko tak, że pomieści ono jeszcze więcej użytkowników niż środo­wisko oparte na wspólnych mediach. Ma to swoje dobre i złe strony.

Środowisko sieciowe punkt-punkt - Jest szeroko wykorzystywane w połączeniach sieciowych opartych na wyborze połączeń. Jest to środowisko oparte na wspólnych mediach, w którym jedno urządzenie jest połączone z tylko jednym urządzeniem za pomocą łącza. Przykładem może być połączenie z dostawcą usług internetowych za pomocą linii telefonicznej.

Niektóre sieci są połączone pośrednio, co oznacza, że między dwoma komunikujący­mi się ze sobą hostami istnieją urządzenia sieciowe wyższej warstwy i/lub dzieli je znacz­na odległość geograficzna. Istnieją dwa rodzaje sieci połączonych pośrednio:

• Sieć oparta na komutacji obwodów - Jest to pośrednio połączona sieć, w której rzeczywiste obwody elektryczne są utrzymywane na czas trwania komunikacji. W sie­ci opartej na komutacji obwodów ustanawiane jest fizyczne połączenie punkt-punkt między punktami końcowymi. Połączenie to ma dedykowane pasmo. Obecny system telefoniczny jest wciąż częściowo oparty na komutacji obwodów, chociaż w wielu krajach odchodzi się od tej technologii.

• Sieć oparta na komutacji pakietów - Zamiast dedykować łącze dla wyłącznego połączenia między dwoma komunikującymi się ze sobą hostami, źródło wysyła ko­munikaty w pakietach. Każdy pakiet zawiera wystarczającą ilość informacji, aby rnójł być dostarczony do właściwego hosta docelowego. Zaleta: wiele hostów może wyko­rzystywać to samo łącze. Wada: może występować konflikt żądań w sieci, ponieważ węzły muszą korzystać ze wspólnych mediów, a nie mają dedykowanego pasma.

Kolizje i domeny kolizji

Kolizja to sytuacja, która ma miejsce wtedy, gdy dwa bity są propagowane w tym sa­mym czasie w tej samej sieci. W małej, powolnej sieci można opracować system, który pozwala na to, aby dwa komputery, z których każdy godzi się na ustępstwa, wysyłały komunikaty. Problemem jest to, że zbyt wiele komputerów jest podłączonych do dużych sieci, a każdy z nich chce wysyłać miliony bitów w każdej sekundzie („bity" są wysyłane w grupach - pakietach).

W wyniku zbyt nasilonego ruchu w sieci mogą wystąpić poważne problemy. Jeśli, na przykład, tylko jeden kabel łączy wszystkie urządzenia w sieci, prawdopodobieństwo konfliktu wynikającego z faktu iż więcej niż jeden użytkownik wysyła dane w tym samym czasie jest wysokie. To samo ma miejsce wtedy, gdy segmenty sieci są połączone tylko za pomocą urządzeń nie mających funkcji filtrujących, na przykład wzmacniaków. Ethernet pozwala na dostęp do kabla tylko jednemu pakietowi w danej chwili. Jeśli w tym samym czasie próbuje nadawać więcej niż jeden węzeł, następuje kolizja, a dane z każdego urzą­dzenia ulegają zniszczeniu.

Obszar w sieci, z którego pochodzą pakiety danych ulegające kolizji jest nazywany domeną kolizji. Wszystkie środowiska oparte na wspólnych mediach są domenami kolizji. Jeden przewód może być połączony z innym przewodem za pomocą kabli, urządzeń nadawczo-odbiorczych, paneli rozdzielczych, wzmacniaków lub koncentratorów. Wszyst­kie te połączenia warstwy l są częścią domeny kolizji.

Sygnały w kolizji

W chwili wystąpienia kolizji, pakiety danych ulegają zniszczeniu, bit po bicie. Aby uniknąć tego problemu, sieć powinna dysponować systemem, który umożliwia zarządza­nie dostępem do medium (sporem o medium). Na przykład, system binarny rozpoznaje tylko"'dwa rodzaje napięcia, światła lub stanów fal elektromagnetycznych. Dlatego, pod­czas kolizji, sygnały nakładają się, czyli kolidują ze sobą, tworząc trzeci, nieprawidłowy stan - dwa sygnały nie mogą zajmować tego samego medium w danej chwili.

Można pomyśleć, że kolizje są wysoce szkodliwe, ponieważ zmniejszają wydajność sieci. Jednak pewna ilość kolizji to naturalne zjawisko w środowisku opartym na wspól­nych mediach (czyli w domenie kolizji). Dzieje się tak dlatego, że zbyt wiele komputerów próbuje skomunikować się ze sobą w tym samym czasie, wykorzystując ten sam przewód.

Historia obsługi kolizji przez Ethernet ma swój początek w badaniach prowadzonych na Uniwersytecie Hawajskim. Podczas prób opracowania systemu komunikacji bezprze­wodowej między wyspami hawajskimi, badacze uniwersyteccy stworzyli protokół o na­zwie Aloha.

Po podłączeniu kilku komputerów do wspólnego medium, do którego nie są podłą­czone inne urządzenia sieciowe, mamy do czynienia z sytuacją wspólnego dostępu oraz z jedną domeną kolizji. Zależnie od użytej technologii, sytuacja ta ograni­cza liczbę komputerów, które mogą wykorzystać tę część medium, zwaną także segmen­tem.

Wzmacniaki, koncentratory oraz domeny kolizji

Wzmacniaki regenerują i wydłużają trwanie sygnałów, ale nie mogą filtrować ruchu. Sygnały nadchodzące do jednego portu wzmacniaka są rozsyłane przez wszystkie pozo­stałe porty.

Użycie wzmacniaka rozszerza domenę kolizji. Dlatego sieć po obu jego stronach jest jedną, dużą domeną kolizji.

Wiemy już, że inną nazwą koncentratora jest wzmacniak wieloportowy. Każdy sygnał przychodzący do jednego portu koncentratora jest regenerowany, wydłużany w czasie, a następnie wysyłany przez wszystkie pozostałe porty.

Dlatego koncentratory, użyteczne podczas łączenia dużej liczby komputerów, rozsze­rzają domeny kolizji. Rozszerzona domena kolizji tworzona przez koncentrator powoduje zmniejszenie wydajności sieci. Pogorszenie wydajności zależy od stopnia wykorzystywa­nia sieci przez komputery należące do tej sieci.

Zarówno wzmacniaki, jak i koncentratory są urządzeniami warstwy 1; dlatego nie przeprowadzają filtrowania ruchu sieciowego. Rozszerzenie długości kabla za pomocą wzmacniaka oraz zakończenie go koncentratorem powoduje powstanie większej domeny kolizji.

Zasada czterech wzmacniaków

w sieci Ethernet mówi o tym, że miedzy dowolnymi dwoma komputerami w sieci mogą być zainstalowane co najwyżej cztery wzmacniaki lub koncentratory wzmacniające sygnał. Zasada ta gwarantuje, że w przypadku wystąpienia kolizji, każdy węzeł w domenie kolizji dowie się o niej. Jest to klucz do pomyślnego działania protokołu sieciowego. Jeśli limit ten zostanie przekroczony, liczba późnych kolizji drastycznie wzrasta. Póź­na kolizja ma miejsce wtedy, gdy kolizja następuje po wysłaniu pierwszych 64 bajtów ramki.

Późne kolizje ramek powodują dalsze opóźnienie, zwane opóźnieniem konsumpcyj­nym. W miarę wzrostu opóźnienia konsumpcyjnego zmniejsza się wydajność sieci. Ta zasada Ethernetu znana jest także iako zasada 5-4-3-2-1. Pięć sekcji sieci, cztery wzmac­niaki lub koncentratory, trzy sekcje sieci to sekcje „mieszane" (z hostami), dwie sekcje sieci to sekcje łącza (dla celów łącz) oraz jedna domena kolizji.

1

11

---