DialNet Masters - przygotowania

Technologie sieci komputerowych

Komutacja pakietów - w telekomunikacji sposób transmisji danych polegający na dzieleniu strumienia danych na kawałki (pakiety), a następnie wysyłanie ich za pomocą łącz komunikacyjnych pomiędzy węzłami sieci. Każdy pakiet podlega osobnemu trasowaniu - może podążać do celu ścieżką niezależną od wcześniejszych pakietów.

Ethernet to technologia, w której zawarte są standardy wykorzystywane w budowie głównie lokalnych sieci komputerowych. Obejmuje one specyfikację kabli oraz przesyłanych nimi sygnałów. Ethernet opisuje również format ramek 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 przez Roberta Metcalfa 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.

Dane w sieciach pakietowych przed wysłaniem dzielimy na małe pakiety. Takie stwierdzenie jest oczywiście bardzo ogólne i nie mówi nic o szczegółach transmisji: jak duże są pakiety, jakiego rodzaju okablowanie może być użyte, jak należy interpretować impulsy elektrycze pojawiające się w sieci itd. W tym rozdziale przyjrzymy się bliżej dwóm konkretnym sieciom komputerowym: sieci ethernet oraz sieci token ring.

Każda sieć jest wykonana zgodnie z pewną technologią. Przykładowymi technologiami są Ethernet, TokenRing, FDDI, ARCNet, ATM. Technologie te różnią się w bardzo wielu szczegółach i nie są ze sobą zgodne w tym sensie, że urządzenia (np. HUB czy okablowanie) wykonane w technologii ethernet nie będzie pasował do żadnej innej sieci poza ethernet.

Gdy mówimy sieć ethernet to tak naprawdę określamy całe mnóstwo szczegółów dotyczących sieci. Technologie różnią się między sobą:

ADRESOWANIEM

Pakiety w sieciach pakietowych zazwyczaj wędrują po sieci zawierając w sobie informacje identyfikujące nadawcę oraz odbiorcę. W różnych technologiach adresy komputerów w sieci są różne.

STRUKTURĄ PAKIETU

długości i zawartość pakietów (szczególnie nagłówków) w różnych technologiach są różne, zależa od przyjetej metody kodowania.

TOPOLOGIĄ SIECI
Termin topologia sieci oznacza strukturę grafu reprezentującego naszą sieć. Topologia jest to sposób okablowania sieci na określonym obszarze ,czyli połączenia komputerów w jeden zespół.

MEDIAMI

Media są kanałem przekazywania informacji np. rodzajem kabla. Istnieją technologie, stosujące różnego rodzaju kable miedziane, światłowody a także technologie przekazujące dane w postaci fal radiowych.

URZĄDZENIAMI POŁĄCZENIOWYMI

Przykładami takich urządzeń są karty sieciowe oraz różnego rodzaju sieciowe "złodziejki" (HUB) i "wzmacniacze" (repeatery)

PRZEPUSTOWOŚCIĄ

czyli wydajnością ile danych możemy w sieci przekazać. Jednostką jest liczba bitów na sekundę lub liczba bajtów na sekundę.

METODĄ DOSTĘPU DO MEDIÓW

Który z komputerów, kiedy i w jakich okolicznościach może nadawać, a kiedy powinien odbierać?

Technologia ethernet
Jedną z najważniejszych rzeczy, które należy zrozumieć po lekturze tego rozdziału jest fakt, że w sieci ethernet wszystkie dane jakie wysyłamy i odbieramy docierają do naszego komputera w pakietach ethernetowych na podstawie adresu ethernetowego. Urządzenia wykonane w technologii ethernet nie mają możliwości nadawania czy odbierania innych pakietów.

Adres ethernetowy (adres MAC):
Adres ethernetowy to unikalny, na stałe zaprogramowany adres, nazywany niekiedy adresem MAC (Media Access Control — Sterowanie dostępem do nośnika). Każdy komputer w sieci Ethernet ma własny adres ethernetowy. Ten 12-cyfrowy adres szesnastkowy jest kodowany w układzie elektronicznym karty sieciowej podczas jej produkcji. Na podstawie tego adresu inne urządzenia w sieci mogą zidentyfikować dany komputer. Jest to inny adres niż adres IP przypisywany komputerom w sieciach TCP/IP. W sieciach tych adresy IP kojarzy się z adresami MAC w celu umożliwienia komunikacji sieciowej.

Pakiet Ethernetowy zbudowany jest się z ramki, poprzedzonej preambułą oraz bajtem nazywanym znacznikiem początku ramki. Najmniejsza długość ramki to 64 bajty (po 8 bitów), preambuła natomiast złożona jest z 56 bitów, a SFD z ośmiu.

Cechy technologii ethernet:

ADRESOWANIE

Każde urządzenie (np. karata sieciowa) nadające/odbierające dane w sieci ethernet ma unikalny (na świecie) adres będący liczbą sześcio bajtową. Liczba ta jest na stałe "zaszyta" w urządzeniu awaria urządzenia (np. wymiana zepsutej karty sieciowej) powoduje, że adres ethernetowy naszego komputera ulegnie zmianie. Adresem specjalnym jest adres składający się z samych jedynek (w reprezentacji binarnej) 1111....1111 (czterdzieści osiem sztuk). Adres ten, nazywamy adresem rozgłoszeniowym (broadcast). Umożliwia on nadawanie do wszystkich komputerów w sieci na raz. Zapewnieniem unikalności adresów ethernetowych zajmuje się organizacja IEEE: każdy producent sprzętu ethernetowego uzuskuje od IEEE swój trzybajtowy kod. Adresy ethernetowe sprzętu rozoczynają się kodem producenta. Dla przykładu: adresy sprzętu ethernetowego produkowanego przez firmę Intel rozpoczynają się od 00AA00. Tutaj  http://www.gajdaw.pl/sk/ethernet/produc … towego.doc
znajdziesz listę kodów producentów. Polecenie


          ipconfig/all
         
systemu NT4 podaje adres sprzętowy (ethernetowy) komputera.

STRUKTURA PAKIETU

W ethernecie można stosować kilka rodzajów pakietów na raz. My ograniczymy się do przedstawienia jednego z nich  o nazwie ETHERNET_II:





Preambuła i CRC sa polami niewidocznymi dla programisty: to karta sieciowa analizuje i obcina te pola przed przekazaniem pakietu do oprogramowania (tj. do sterowników karty sieciowej). Pole preambuła służy synchronizacji nadawcy z odbioracą zaś CRC to suma kontrolna zapewniająca poprawność pakietu. Nagłówek pakietu stanowią pola Adres odbiorcy, adres nadawcy oraz typ:




CRC -  (ang. Cyclic Redundancy Check - cykliczna kontrola namiarowa) - metoda weryfikacji poprawności transmisji, polegająca na wyliczaniu dla każdego transmitowanego bloku specjalnego wielomianu kontrolnego po stronie nadającej i odbierającej. Weryfikacja przy użyciu CRC jest znacznie bardziej wiarygodna niż w przypadku zwykłej sumy kontrolnej liczonej np. przez różnicę symetryczną.



Zauważmy, że maksymalna wielkość pakietu wynosi 12000b czyli 1500B. Zatem przekopiowanie dyskietki wymaga około 1000 pakietów!

MEDIA

W technologii sthernet dopuszczone są trzy rodzaje kabli:

10BASE-5: gruby ethernet (jeden segment do 500 m, max 100 urządzeń na jednym segmencie)

10BASE-2: cienki ethernet (kabel koncentryczny, BNC) (jeden segment do 185 m, max 30 urządzeń na jednym segmencie)

10BASE-T: skrętka (UTP) (jeden segment do 100 m, max 2 urządzenia na jednym segmencie.

TOPOLOGIA

Szyna (topologia liniowa). Stosowanie topologii liniowej wymusza użycie kabli koncentrycznych: cienki ethernet (kabel koncenteryczny BNC) lub gruby ethernet. Nie ma możliwości stosowania topologii liniowej i okablowania "skrętka". Jedynymi elementami sprzętowymi oprócz kabli są karty sieciowe.





Gwiazda. Stosując topologie gwieździstą korzystamy wyłącznie z okablowania skrętka (UTP). Oprócz kart sieciowych i okablowania konieczny jest koncentrator (HUB). Jest to rodzaj "złodziejki" sieciowej.





PRZEPUSTOWOŚĆ

Przepustowość sieci ethernet wynosi 10 Mbps (Mega bits per second - mega bitów na sekundę). Czyli około jednej dyskietki na sekundę (1.2 MBps). Wart odnotowania jest fakt że jest to górna granica wydajności naszej sieci. Osiągnięcie transferu (przy przegrywaniu plików) rzędu 800 kB/s jest już bardzo dobrym wynikiem.

Wiemy już, że jedna dyskieta to około 1000 pakietów ethernetowych. Ponieważ przepustowość sieci wynosi w przybliżeniu jedna dyskietka na sekundę zatem możemy zauważyć, że wydajność sieci mierzona liczbą wysłanych pakietów wynosi około 1000 pakietów na sekundę.

URZĄDZENIA POŁĄCZENIOWE

Repeater (wzmacniak) - urządzenie pracujące w warstwie fizycznej. Wzmacnia sygnały elektryczne. Wraz z sygnałami wzmacnia błędy. Pomiędzy dwoma dowolnymi stacjami mogą znajdować się co najwyżej dwa repeatery

Hub (koncentrator) - odpowiednik repeatera realizujący funkcję „złodziejki”. Działa w warstwie fizycznej.

Bridge (pomost, zwany rówież koncentratorem) - urządzenie pracujące w warstwie łącza danych. Odbiera pełne ramki z jednego segmentu i przekazuje je do drugiego. Odmiana zwana Addoptive bridge (lub learning bridge) w trakcie pracy
uczy się topologii.

Switch (przełącznik) - urządzenie podobne do huba ale pracujące w warstwie łącza danych. Ponadto Zwiększa pasmo dostępne na każdym segmencie poprzez zastosowanie multiplexingu.

METODA DOSTĘPU DO MEDIÓW

Badanie stanu medium z wykrywaniem kolizji (Carrier Sense Multiple Access Collision Detect). Każde urządzenie w sieci (każdy komputer) nasłuchuje jakie pakiety są wysyłane. Każdy z pakietów odbieramy (realizuje to karta sieciowa) i sprawdzamy: czy adres odbiorcy to nie jest mój adres (czyli: czy ten pakiet nie jest do mnie)? Może ten pakiet jest do wszystkich (pakiet, w którym adres odbiorcy to adres rozgłoszeniowy). Jeśli pakiet nie jest do mnie to mnie on nic nie obchodzi. Jeśli pakiet jest do mnie (taką decyzję podejmuje karta sieciowa) to przekazuje go do oprogramowania. W ten sosób odbieramy dane. Jeśli chcemy nadawać, to czekamy: czy kabel jest wolny? Jeśli tak to nadajemy. Jeśli nie to musimy chwilę poczekać, po czym ponawiamy próbę.

Ponieważ metoda dostępu do mediów przypomina nieco rozmowę krótkofalówkami stąd nazwa: ethernet. Cechy:

domyślnie: urządzenie odbiera tylko ramki adresowane do siebie oraz ramki typu broadcast
rozproszone sterowanie dostępem (nie ma komputera, który mówi: teraz ty możesz nadawać. Każdy komputer - dokładniej karta sieciowa-podejmuje decyzję sam.)
po nadaniu ramki nadawca musi poczekać chwilę w celu umożliwienia nadawania innym
umożliwienie wykrywania kolizji jest przyczyną ograniczenia długości segmentu
urządzenia mogą się znajdować w tzw. promiscuous mode: odbierają wszelkie ramki pojawiające się "na kablu"
Nie wiadomo czy nadaną ramkę ktoś odebrał
w przypadku kolizji czekamy:
za pierwszym razem liczba losowa z zakresu (0;t)
za drugim razem: (0;2t)
za trzecim razem: (0;4t)
za czwartym razem (0;8t)
prób co najwyżej 16.
Termin urządzenie pracuje w warstwie fizycznej oznacza, że urządzenie nie rozumie przekazywanych danych. W szczególności nie ma możliwości kontroli poprawności. Odbiera sygnał elektryczny i nadaje sygnał elektryczny (sygnał analogowy).

Termin urządzenie pracuje w warstwie łącza danych oznacza, że urządzenie operuje ramkami jako jednostkami przekazywanej informacji. Odbiera pełne ramki i wysyła pełne ramki. Ramki błędne są ignorowane.

Dla użytkownika/programisty dowolna liczba segmentów ethernetu połączona repeaterami, hubami, switchami oraz bridgami zachowuje się jak pojedynczy segment ethernetu.

Do śledzenia natężenia ruchu, kto do kogo nadaje itd. służą różnego rodzaju programy monitorujące. Jednym z nich jest ETHBOY. Technologia Token ring


Elementy sieci Ethernet.


Do budowy tej sieci Ethernet używa się następujących elementów standardu:

Ethernet 10Base-T - (UTP - Unshielded twisted-pair cable) skrętka 10Mbit
Ethernet 100Base-T    - skrętka 100Mbit.

Kategorie nie ekranowanego kabla skręcanego dla aplikacji klasy C[3]:
CAT 1 & 2      - głos i dane małej jakości (np.: modem)
CAT 3             - transmisja do   10 Mbps (max. dł. 100 m)
CAT 4             - transmisja do   16 Mbps (max. dł. 150 m)
CAT 5             - transmisja do 100 Mbps (max. dł. 160 m)
Dla szybkości 100Mb/s istnieją dwa różne media:
100Base-TX   - skrętka kategorii 5, wykorzystane 2 pary (tak jak w 10Base-T).
100Base-T4   - skrętka kategorii 5, wykorzystane 4 pary.

Dla szybkości 1000Mb/s została przewidziana również skrętka kategorii 5 wykorzystująca wszystkie 4 pary.  Oczywiście można użyć lepszego kabla CAT 6 lub CAT 7.

W przypadku wykorzystania skrętki w środowiskach o dużych szumach elektromagnetycznych, stosuje się ekranowany kabel skręcany (STP). Zbudowany jest on z czterech skręcanych ze sobą par przewodów miedzianych, otoczonych ekranującą siatką lub folią i umieszczonych w izolacyjnej osłonie.

W zastosowaniach skrętki można napotkać dwa typy końcówek:
-    RJ-11 sześciopozycyjny łącznik modularny (łącze telefoniczne),
-    RJ-45 ośmiopozycyjny łącznik modularny (sieć Ethernet).



Wyróżniamy 3 rodzaje połączeń końcówek kabla UTP:
odwrotny  - końcówka 1 do 8, końcówka 7 do 2, itd. – zastosowany w kablu telefonicznym,
zgodny      - końcówka 1 do 1, końcówka 2 do 2, itd. – np.: połączenie Ethernet pomiędzy koncentratorem i kartą sieciową komputera,
krzyżowy  - (cross-over) odwraca tylko niektóre połączenia, często spotykane przy połączeniach pomiędzy koncentratorami lub przy łączeniu dwóch komputerów bez pośrednictwa koncentratora.

Do połączenia komputera z koncentratorem lub przełącznikiem stosuje się połączenie proste, czyli obie końcówki muszą być połączone wg określonego standardu. Międzynarodowym standardem jest 568A lub 568B. Do połączenia dwóch komputerów bez koncentratora lub huba stosuje się połączenie krzyżowe.
Ten kabel charakteryzuje się tym że jedna końcówka jest podłączona wg standardu 568A a druga wg standardu 568B.

Kolejność przewodów wg standardu 568A
biało-zielony
zielony
biało-pomarańczowy
niebieski
biało-niebieski
pomarańczowy
biało-brązowy
brązowy

Kolejność przewodów wg standardu 568B
biało-pomarańczowy
pomarańczowy
biało-zielony
niebieski
biało-niebieski
zielony
biało-brązowy
brązowy



Koncentrator (ang. hub).

Koncentrator jest jednym z urządzeń najczęściej spotykanych w sieciach. Do niego właśnie podłączane są wszystkie kable połączeniowe od komputerów. Działa on jako urządzenie wzmacniające i rozsyłające sygnały z komputerów. Nie bada otrzymanej informacji, tylko przekazuje ją dalej. Sygnał wysłany przez komputer dociera do koncentratora, który przesyła go dalej do wszystkich podłączonych komputerów. To właśnie jest główną wadą koncentratorów, ponieważ aby informacja została dostarczona odbiorcy jest ona rozsyłana wszystkim stacjom, powodując zbędny ruch.

Wyróżnia się dwa rodzaje koncentratorów:
aktywny - łączy kable oraz regeneruje sygnał, przez co zwiększa zasięg sieci
pasywny - tylko łączy kable

Łączenie koncentratorów
Gdy powiększamy sieć i nie wystarcza nam jeden koncentrator należy dokupić nowy i połączyć go z tym co mieliśmy wcześniej. Poniżej opisuję jak to zrobić. Koncentratory łączymy za pomocą kabla prostego. Jeden koniec kabla wkładasz do zwykłego wyjścia (tam gdzie wtyczki od komputerów) pierwszego koncentratora a drugi do gniazda uplink w drugim koncentratorze. Bywa jednak i tak że koncentrator nie posiada gniazda uplink, wtedy koncentratory należy połączyć kablem skrosowanym, który podłaczmy do zwykłych portów.

Łączenie dwóch koncentratorów:



Łączenie trzech lub więcej koncentratorów:



Przełącznik (ang. switch).

Przełącznik wygląda prawie tak samo jak koncentrator. Wzmacnia i rozsyła sygnały z komputerów. Analizuje otrzymywane dane, uczy się do których portu podłączone są komputery. I w ten sposób wysyła dane w przeciwieństwie do koncentratorów tylko odbiorcom. Przez co ogranicza od minimum ruch w sieci. Przełączniki mają możliwość tworzenia wirtualnych sieci VLAN (Virtual Local Area Network) czyli logicznego grupowania użytkowników, niezależnie od ich fizycznej lokalizacji.



Łączenie przełączników odbywa się na tej samej zasadzie jak łączenie koncentratorów.

Router.

Router jest urządzeniem pracującym w warstwie trzeciej, czyli sieciowej, modelu OSI. Zarządza ruchem pakietów w sieci, szukając optymalnych dróg przesyłania pakietów.
Używany jest przede wszystkim do łączenia ze sobą sieci WAN, MAN i LAN.
Routerem może być urządzenie sprzętowe jak i oprogramowanie zainstalowane na komputerze. Każdy router sprzętowy można połączyć z wieloma sieciami, natomiast programowy zazwyczaj tylko z jedną.
Router określa następny punkt sieciowy, do którego należy skierować pakiet danych wysyłany z jednej sieci do drugiej. Trasę przejścia pakietu ustala odpowiednie oprogramowanie. Ustalanie tej drogi zwane jest trasowaniem. Każdy router zna tylko sieci podłączone bezpośrednio do niego i adresy sąsiadujących z nim innych routerów. Podejmuje decyzję o drodze pakietu tylko do najbliższego punktu – sieci lub innego routera. Wybór drogi jest podejmowany na podstawie tablicy tras, zwanej tablicą routingu, przechowywanej w pamięci routera.
Tablica tras zawiera między innymi: adres sieci , do której znana jest droga (tylko jeden krok), numer portu i tzw koszt czyli informacja o optymalnej drodze pakietu wśród wielu możliwych.
Świeżo zamontowany router ma pustą tablicę routingu, którą należy wypełnić. Można to zrobić ręcznie – routing statyczny lub używając odpowiedniego protokołu i oprogramowania – routing dynamiczny.
Routing statyczny polega na ręcznym wpisywaniu przez administratora wszystkich danych niezbędnych do routingu. Jest stosowany w małych sieciach.
Routung dynamiczny polega na cyklicznym rozsyłaniu przez router pakietów do wszystkich podłączonych użytkowników w sieci i nasłuchiwaniu ich odpowiedzi, a następnie wpisywaniu do tablicy routingu dostępnych hostów.
Często wykorzystywany jest do tego protokół RIP (ang. Routing Information Protocol).
Routery wzajemnie wymieniają się swoimi tablicami tras z bezpośrednimi sąsiadami. Dzięki temu każdy router ma informację o tym, który sąsiad może przesłać pakiet do właściwej sieci. Jeżeli kilku sąsiadów oferuje możliwość połączenia z odpowiednią siecią, to na podstawie kosztów protokół wybiera najlepszą.
Wszelkie zmiany w sieci są modyfikowane w tablicy routingu.

Karta sieciowa.
Karta sieciowa (ang. NIC - Network Interface Card) służy do przekształcania pakietów danych w sygnały, które są przesyłane w sieci komputerowej, oraz do odbierania sygnałów, właściwego ich dekodowania i przesyłania do pamięci komputera.
Każda karta NIC posiada własny, unikatowy w skali światowej adres fizyczny, znany jako adres MAC (ang. Media Access Contrl), przyporządkowany w momencie jej produkcji przez producenta, zazwyczaj umieszczony na stałe w jej pamięci ROM. Każda karta sieciowa jest identyfikowana w sieci na podstawie adresu MAC. Adres ten składa się z sześciu bajtów: w pierwszej części jest kod producenta, a w drugiej numer urządzenia.
Każdy producent kart sieciowych otrzymuje od IEEE numer, którym opatruje wszystkie swoje produkty

Ostatnio edytowany przez Jakub (2008-02-24 17:39:55)