Практическая работа № 6. Тема: Спецификации физической среды Ethernet.

Теоретические сведения

Ethernet - архитектура сетей с разделяемой средой и широковещательной передачей (все узлы получают пакет одновременно) и методом доступа CSMA/CD. Стандарт определен документом IEEE 802.3. Физическая топология - шина для коаксиального кабеля, звезда – для витой пары, двухточечное соединение - для волоконно-оптического кабеля. Существуют следующие 10 Мбит/с стандарты Ethernet:

10Base5 – Thick (толстый) Ethernet. Синонимы: ThickNet, Yellow (желтый кабель), Standard Ethernet. Классический вариант, введенный в 60-х годах, использует толстый коаксиальный кабель RG-8 или RG-11 с посеребренной центральной жилой и двойной экранной оплеткой. Кабель имеет волновое сопротивление 50 Ом и малое затухание. Для подключения каждого узла на кабель устанавливается трансивер, от которого к адаптеру идет кабель-спуск AUI длиной до 50 м. Толстый кабель сложен в монтаже, его аксессуары теперь весьма дороги. Основное преимущество - высокая помехозащищенность и напряжение изоляции трансивера. Применяется для прокладки базовых сегментов (Backbone).

10Base2 – Thin (тонкий) Ethernet. Синонимы: ThinNet, CheaperNet (дешевая сеть). Популярный вариант, использует тонкий коаксиальный кабель RG-58, имеющий волновое сопротивление 50 Ом, среднее затухание и помехозащищенность. Широко применяется для подключения станций и прокладки базовой сети между хабами. Пока самый дешевый вариант сети.

10BaseT – Twisted-pair Ethernet - на неэкранированной витой паре 3-5 категории. Топология - звезда, в центре которой находится хаб, обеспечивающая ряд преимуществ по сравнению с шиной:

• к каждому узлу подходит только один гибкий кабель;

• повреждение одного лучевого кабеля приводит к отказу соединения только одного узла;

• несанкционированное "прослушивание" пакетов в сети затруднено.

Является перспективной альтернативой тонкому Ethernet во многих случаях.

10BaseF – несколько вариантов сети на оптоволоконном кабеле. Обычно используется как двухточечная связь на большие расстояния. Среда передачи – две нити одномодового или многомодового оптоволокна. Оптоволоконная аппаратура, при основном своем недостатке – высокой цене, имеет ряд преимуществ:

• нечувствительность к электрическим и электромагнитным помехам;

• гальваническая развязка узлов на любое требуемое напряжение;

• исчисляемое километрами расстояние передачи без повторителей и тысячами километров - с промежуточными ретрансляторами;

• высокая степень конфиденциальности каналов связи;

• широкополосность каналов.

Конструктивно оптический трансивер - FOIRL, FIRL (Fiber-Optic Inter-Repeater Link) - представляет собой устройство чуть больше спичечного коробка, подключаемое непосредственно к DIX-разъему AUI-адаптера. Оконечные отрезки волоконного кабеля заводятся в специальные оптические разъемы, соединяя выход передатчика Tx на одном конце со входом приемника Rx на другом конце. Некоторые модели хабов имеют порты с оптическими разъемами.

Общие ограничения для всех стандартов Ethernet: номинальная пропускная способность - 10 Мбит/с; максимальное число станций в сети – 1024; максимальное расстояние между узлами в сети - 2500 м (в 10Base-FB 2750 м); максимальное число коаксиальных сегментов в сети – 5.

Сравнительную характеристику представим на рис.1.

Рис.1. Параметры спецификаций физического уровня для стандарта Ethernet

Существуют следующие 100 Мбит/с стандарты Ethernet (Fast Ethernet): 100BaseTX , 100BaseT4, 100BaseFX. Среда передачи для 100BaseTX (наиболее распространенный вариант Fast Ethernet) – две пары UTP категории 5 или STP Type1; для 100BaseT4 – четыре пары UTP категории 3, 4 или 5; для 100BaseFX – две нити многомодового оптоволоконного кабеля. Несмотря на высокую цену, аппаратура на 100 Мбит/с находит все более широкое применение там, где 10 Мбит/с является уже узким местом.

Кабели (и провода) соединяются между собой с помощью коннекторов. Коннектор обеспечивает механическую фиксацию и электрический контакт. Как и кабели, они классифицируются по категориям, определяющим диапазон рабочих частот.

10Base2 стандарт в качестве среды передачи данных использует тонкий коаксиальный кабель RG-58 (рис.2):

Рис.2. Детализация стандарта

Благодаря гибкости кабеля его можно подвести непосредственно к сетевой плате. Для подключения кабеля используются разъемы BNC (British Naval Connector – Британский морской соединитель), устанавливаемые собственно на кабель, и T-коннекторы, служащие для отвода сигнала от кабеля в сетевую плату (рис.3-6):

Рис.3. Тип соединения

Рис.4. Формы представления

Рис.5. BNC разъемы

Рис.6. Визуальное представление деталей

Кабель необходимо подготовить следующим образом:

1. Аккуратно отрежьте так, чтобы его торец был ровным. Наденьте на кабель металлическую муфту (отрезок трубки), который поставляется в комплекте с BNC-разъемом.

2. Снимите с кабеля внешнюю пластиковую оболочку на длину примерно 20 мм. Будьте аккуратны, чтобы не повредить по возможности ни один проводник оплетки.

3. Оплетку аккуратно расплетите и разведите в стороны. Снимите изоляцию с центрального проводника на длину примерно 5 мм.

4. Установите центральный проводник в штырек, который также поставляется в комплекте с разъемом BNC. Используя специальный инструмент, надежно обожмите штырек, фиксируя в нем проводник, либо впаяйте проводник в штырек. При пайке будьте особенно аккуратны и внимательны — плохая пайка через некоторое время станет причиной отказов в работе сети, причем локализовать это место будет достаточно трудно.

5. Вставьте центральный проводник с установленным на него штырьком в тело разъема до щелчка. Щелчок означает, что штырек сел на свое место в разъеме и зафиксировался там.

6. Равномерно распределите проводники оплетки по поверхности разъема, если необходимо, обрежьте их до нужной длины. Надвиньте на разъем металлическую муфту.

7. Специальным инструментом (или плоскогубцами) аккуратно обожмите муфту до обеспечения надежного контакта оплетки с разъемом. Не обжимайте слишком сильно – можно повредить разъем или пережать изоляцию центрального проводника. Последнее может привести к неустойчивой работе всей сети. Но и обжимать слишком слабо тоже нельзя – плохой контакт оплетки кабеля с разъемом также приведет к отказам в работе.

10BaseT, 100BaseTX и 100BaseT4.

Эти стандарты в качестве среды передачи данных используют кабель неэкранированной или экранированной витой пары (UTP/STP, unshielded/shielded twisted pair). Кабели UTP/STP различаются по категориям (в зависимости от полосы пропускания) и типу проводников (гибкие или одножильные). В кабеле 5-й категории, как правило, находится восемь проводников, перевитых попарно (то есть четыре пары).

Для витой пары широко применяют модульные разъемы (Modular Jack), широко известные под названием RJ-45: розетки (Outlet, Jack) и вилки (Plug).

Розетка представляет собой гнездо (разъем) соединителя с каким-либо приспособлением для крепления кабеля и корпусом для удобства монтажа. В нее тоже включается вилка. Розетки, также как и кабель, бывают различной категории. На корпусе розетки, обычно, написано к какой категории она относится. При построении сетей 10BaseT необходимо использовать розетки категории 3 (Cat.3) или лучше (Cat.5). А для сетей 100BaseTX необходимо применять только Cat.5. Розетки 5-й категории делятся также по способу монтажа кабеля в самой розетке.

Категорию модульных вилок на взгляд определить затруднительно. Вилки для одножильного и многожильного кабеля различаются формой игольчатых контактов. Для экранированной проводки розетки и вилки должны иметь экраны, сплошные или же только обеспечивающие соединение экранов кабелей.

Вилка "RJ-45" похожа на вилку от импортных телефонов, только немного большего размера и имеет восемь контактов (рис.7).

Рис.7. Вилка "RJ-45"

На новой, неиспользованной вилке, контакты выходят за пределы корпуса. В процессе обжима, они будут утоплены внутрь корпуса, прорежут изоляцию провода и воткнутся в жилу. Вилки делятся на экранированные и неэкранированные, со вставкой и без, для круглого и для плоского кабеля, для одножильного и для многожильного кабеля, с двумя и с тремя зубцами. Полезно вместе с вилкой на кабель устанавливать защитный колпачок. Использование контактов модульных соединителей, а также цветовая маркировка проводов стандартизованы. Каждая пара представляется двумя проводами, обозначаемыми Tip и Ring (условно – прямой и обратный повода), для которых определен цвет изоляции и номер контакта разъема. Существует несколько стандартов на модульные соединители, различающихся шириной, количеством используемых контактов и раскладкой пар проводов (рис.8-9).

Рис.8. Стандарт T568A

Рис.9. Стандарт T568B

Монтаж разъема RJ-45 на кабель «витая пара».

Для монтажа разъемов RJ-11, RJ-12 и RJ-45 используются специальные обжимочные интсрументы, различающиеся между собой количеством ножей (6 или 8) и размерами гнезда для фиксации разъема.

Монтаж производится одинаковым способом или T568A, или T568B с двух сторон кабеля. Исключением является случай, когда вы делаете "cross-over" кабель для соединения двух компьютеров напрямую без хаба. В этом случае один конец кабеля обжимается по стандарту T568A, а другой – по T568B.

Рекомендуется по возможности использовать разъемы без вставки, так как процесс заправки проводников в корпус такого разъема выполняется проще.

Примеры некоторых преобразований приведем на рис.9-10.

Рис.9. Обобщенная схема преобразований

Рис.10. Алгоритм работы

Монтаж производится следующим образом:

1. Аккуратно ножами обжимочного инструмента обрежьте конец кабеля. Торец кабеля должен быть ровным.

2. Удалите внешнюю оболочку кабеля, на длину 12,5 мм (1/2 дюйма). В обжимном инструменте имеется специальный нож и ограничитель для этой операции. Провода зачищать не нужно. Любые повреждения (надрезы) изоляции проводников абсолютно недопустимы именно поэтому желательно использовать специальный инструмент, лезвие резака которого выступает ровно на толщину внешней изоляции.

3. Расплетите кабель и расположите провода в соответствии с выбранной вами схемой заделки, причем длина расплетения не должна превышать 12,5 мм. Проводники должны располагаться строго в один ряд, без нахлестов друг на друга. Если проводники имеют разную длину подрежьте их ровно.

4. Поверните вилку контактами к себе, как на рисунке, и аккуратно надвиньте на кабель до упора, чтобы провода прошли под контактами. Каждый проводник должен попасть на свое место в разъеме и упереться в ограничитель. Прежде чем обжимать разъем, убедитесь, что вы не ошиблись в разводке проводников.

5. Вставьте разъем в гнездо на обжимочном приспособлении и обожмите его до упора-ограничителя на приспособлении. При этом контакты будут утоплены внутрь корпуса и прорежут изоляцию проводов, обеспечивая надежный контакт. Фиксатор провода также должен быть утоплен в корпус.

Аналогичным образом можно осуществить монтаж разъемов RJ-11 и RJ-12, используя соответствующий инструмент.

Правила монтажа кабельной сети на витой паре.

Каждая розетка рабочего места должна иметь 8-контактное модульное гнездо (RJ-45 Jack). Горизонтальные кабели должны соединять контакты розетки рабочего места с контактами розетки патч-панели "один в один", соблюдая парность проводов и полярность пар. Длина кабеля не более 90 м, кабель — одножильный (solid).

Для независимости от сетевых приложений (технологий) к каждой розетке должны подходить свои 4 пары категории 5 (или выше).

Раскладка проводов, включая цветовую маркировку, должна соответствовать T568A или T568B и быть единой по всей кабельной сети. Принятый тип должен быть отражен в документации на СКС.

При разделке концов кабеля не допускается расплетение витой пары больше чем на 12,5 мм (0,5 дюйма), необходимый для раскладки проводов.

Шнуры подключения абонентов и активного оборудования (патч-корды) должны иметь 8-контактные вилки (RJ-45 Plug), контакты которых соединяются "один в один", соблюдая парность проводов и полярность пар. Кабель – многожильный (stranded).

"Перекрестные" шнуры, требуемые для соединения обычных портов пару

концентраторов Ethernet, должны иметь на одном конце раскладку T568A, на другом — T568B. По виду (цвету шнуров или колпачков) они должны быть легко отличимы от обычных "прямых" шнуров.

При необходимости разделяемое использование 4-парного кабеля для Ethernet 10BaseT и 100BaseTX организуется Y-образными патч-кордами, переходниками или сменными вставками. Для разделяемого использования 100BaseTX при большой длине кабеля может потребоваться кабель с улучшенными свойствами (PowerSum).

10BaseF и 100BaseFX Эти стандарты в качестве среды передачи данных используют волоконно-оптические кабели. Оптоволокно – наиболее перспективная и обеспечивающая наибольшее быстродействие среда распространения сигналов для локальных сетей и телефонии.

Оптоволокно, передает сигналы при помощи импульсов светового излучения. В качестве источников света используются полупроводниковые лазеры, а также светодиоды. Оптоволокно подразделяется на одномодовое и многомодовое. Одномодовое волокно очень тонкое, его диаметр составляет порядка 10 микрон.

Благодаря этому световой импульс, проходя по волокну, реже отражается от его внутренней поверхности, что обеспечивает меньшее затухание. Соответственно одномодовое волокно обеспечивает большую дальность без применения повторителей. Теоретическая пропускная способность одномодового волокна составляет 10 Гбит/с. Его основные недостатки – высокая стоимость и высокая сложность монтажа. Одномодовое волокно применяется в основном в телефонии. Многомодовое волокно имеет больший диаметр – 50 или 62,5 микрона. Этот тип оптоволокна чаще всего применяется в компьютерных сетях. Большее затухание во многомодовом волокне объясняется более высокой дисперсией света в нем, из-за которой его пропускная способность существенно ниже – теоретически она составляет 2,5 Гбит/с.

Для соединения оптического кабеля с активным оборудованием применяются специальные разъемы. Наиболее распространены разъемы типа SC и ST, хотя кроме них используются FC, FDDI, SMA, D4, MINI-BNS, FC/PC, Escon, Biconic и другие. Большинство специалистов сходятся во мнении о том, что разъем SC не стал общепринятым, несмотря на рекомендации стандартов. Более того, он устарел и перестал удовлетворять нуждам пользователей.

Монтаж соединителей на оптоволоконный кабель – очень ответственная операция, требующая опыта и специального обучения, поэтому не стоит заниматься этим не будучи специалистом. Если возникла необходимость строить сеть с использованием оптоволокна, легче приобрести кабели с соединителями. Впрочем, учитывая стоимость кабеля, соединителей, а также активного оборудования для оптики, можно предположить, что в домашних и небольших локальных сетях это оборудование будет использоваться еще нескоро.

Методика расчета конфигурации сети Ethernet.

Для того, чтобы сеть Ethernet, состоящая из сегментов различной физической природы, работала корректно, необходимо, чтобы выполнялись три основных условия:

• Количество станций в сети не превышает 1024 (с учетом ограничений для

• коаксиальных сегментов).

• Удвоенная задержка распространения сигнала (Path Delay Value, PDV) между двумя самыми удаленными друг от друга станциями сети 10-мегабитного Ethernet не превышает 575 битовых интервалов.

• Сокращение межкадрового расстояния (Interpacket Gap Shrinkage) при прохождении последовательности кадров через все повторители не более, чем на 49 битовых интервалов (при отправке кадров станция обеспечивает начальное межкадровое расстояние в 96 битовых интервалов).

Соблюдение этих требований обеспечивает корректность работы сети даже в случаях, когда нарушаются простые правила конфигурирования, определяющие максимальное количество повторителей и максимальную длину сегментов каждого типа.

В технологии Ethernet принято все интервалы измерять в битовых интервалах.

Битовый интервал обозначается как bt и соответствует времени между появлением двух последовательных бит данных на кабеле. Для скорости 10 Мбит/с величина битового интервала равна 0,1 мкс или 100 нс. Соблюдение второго требования обеспечивает своевременное обнаружение коллизий.

Требование на минимальное межкадровое расстояние связано с тем, что при прохождении кадра через повторитель это расстояние уменьшается. Каждый пакет, принимаемый повторителем, ресинхронизируется для исключения дрожания сигналов, накопленного при прохождении последовательности импульсов по кабелю и через интерфейсные схемы. Процесс ресинхронизации обычно увеличивает длину преамбулы, что уменьшает межкадровый интервал. При прохождении кадров через несколько повторителей межкадровый интервал может уменьшиться настолько, что сетевым адаптерам в последнем сегменте не хватит времени на обработку предыдущего кадра, в результате чего кадр будет просто потерян. Поэтому не допускается суммарное уменьшение межкадрового интервала более чем на 49 битовых интервалов. Величину уменьшения межкадрового расстояния при переходе между соседними сегментами обычно называют в англоязычной литературе Segment Variability Value, SVV, а суммарную величину уменьшения межкадрового интервала при прохождении всех повторителей - Path Variability Value, PVV. Очевидно, что величина PVV равна сумме SVV всех сегментов, кроме последнего.

Расчет PDV.

Для упрощения расчетов обычно используются справочные данные, содержащие значения задержек распространения сигналов в повторителях, приемопередатчиках и в различных физических средах. В таблице 6 приведены данные, необходимые для расчета значения PDV для всех физических стандартов сетей Ethernet (рис.11), взятые из справочника Technical Reference Pocket Guide (Volume 4, Number 4) компании Bay Networks.

Рис.11. Смежная таблица стандартов

Левым сегментом называется сегмент, в котором начинается путь сигнала от выхода передатчика (выход Tx) конечного узла. Затем сигнал проходит через промежуточные сегменты и доходит до приемника (вход Rx) наиболее удаленного узла наиболее удаленного сегмента, который называется правым. С каждым сегментом связана постоянная задержка, названная базой, которая зависит только от типа сегмента и от положения сегмента на пути сигнала (левый, промежуточный или правый). Кроме этого, с каждым сегментом связана задержка распространения сигнала вдоль кабеля сегмента, которая зависит от длины сегмента и вычисляется путем умножения времени распространения сигнала по одному метру кабеля (в битовых интервалах) на длину кабеля в метрах.

Общее значение PDV равно сумме базовых и переменных задержек всех сегментов сети. Значения констант в таблице даны с учетом удвоения величины задержки при круговом обходе сети сигналом, поэтому удваивать полученную сумму не нужно.

Так как левый и правый сегмент имеют различные величины базовой задержки, то в случае различных типов сегментов на удаленных краях сети необходимо выполнить расчеты дважды: один раз принять в качестве левого сегмента сегмент одного типа, а во второй раз - сегмент другого типа, а результатом считать максимальное значение PDV. В нашем примере крайние сегменты сети принадлежат к одному типу - стандарту 10Base-T, поэтому двойной расчет не требуется, но если бы они были сегментами разного типа, то в первом случае нужно было бы принять в качестве левого сегмент между станцией и концентратором 1, а во втором считать левым сегмент между станцией и концентратором 5.

Рассчитаем значение PDV для нашего примера.

Левый сегмент 1: 15.3 (база) + 100 м * 0.113 /м = 26.6

Промежуточный сегмент 2: 33.5 + 1000 * 0.1 = 133.5

Промежуточный сегмент 3: 24 + 500 * 0.1 = 74.0

Промежуточный сегмент 4: 24 + 500 * 0.1 = 74.0

Промежуточный сегмент 5: 24 + 600 * 0.1 = 84.0

Правый сегмент 6: 165 + 100 * 0.113 = 176.3

Сумма всех составляющих дает значение PDV, равное 568.4.

Так как значение PDV меньше максимально допустимой величины 575, то эта сеть проходит по величине максимально возможной задержки оборота сигнала. Несмотря на то, что ее общая длина больше 2500 метров.

Расчет PVV.

Для расчета PVV также можно воспользоваться табличными значениями максимальных величин уменьшения межкадрового интервала при прохождении повторителей различных физических сред (таблица 4 взята из того же справочника, что и предыдущая).

Рис.12. Смежное представление PVV

В соответствии с этими данными рассчитаем значение PVV для нашего примера.

Левый сегмент 1 10Base-T: дает сокращение в 10.5 битовых интервалов:

Промежуточный сегмент 2 10Base-FL: 8.

Промежуточный сегмент 3 10Base-FB: 2.

Промежуточный сегмент 4 10Base-FB: 2.

Промежуточный сегмент 5 10Base-FB: 2.

Сумма этих величин дает значение PVV, равное 24.5, что меньше предельного значения в 49 битовых интервалов.

В результате, приведенная в примере сеть по всем параметрам соответствует стандартам Ethernet.

Задание

1. Изучить применяемы в локальных сетях виды кабеля, разъемы, коннекторы и инструмент, применяемый при монтаже.

2. Выполнить монтаж коннекторов на кабель.

Вопросы для самоконтроля:

1. Какие спецификации Ethernet со скоростью передачи 10 Мб/с?

2. Какие спецификации Ethernet со скоростью передачи 100 Мб/с?

3. Каков максимальный диаметр сети 10Base2, 10Base5?

4. Каков максимальный диаметр сети 100BaseT, 100BaseFX?

5. Каково максимальное количество рабочих станций в сегменте 10Base2?

6. Каково максимальное количество рабочих станций в сегменте 10BaseT?

7. Какова структура кабеля RG-58?

8. Что такое Т-коннектор и его предназначение?

9. Типы разъемов BNC?

10. Как осуществляется монтаж BNC-коннектора на кабель?

11. Что такое RJ-45 и для чего используется?

12. Что такое стандарт T568A, T568B?

13. Сколько пар UTP используется в 10BaseT?

14. Сколько пар UTP используется в 100BaseTX?

15. Сколько пар UTP используется в 1000BaseT?

16. Как осуществляется монтаж вилки RJ-45 на кабель?

17. Что такое PDV?

18. Что такое Interpacket Gap Shrinkage?

19. Что такое SVV и PVV?

Рекомендуемая литература: