Potaov siete 6 7 Doc Ing Frantiek Jakab

Počítačové siete 6 -7 Doc. Ing. František Jakab, Ph. D. františek. jakab@tuke. sk KPI FEI TU 1

Úvod • Komunikačné média a prenos informácií prostredníctvom médií • Fyzická vrstva 2

3

ISO OSI Referenčný Model • Sedem vrstiev – Spodné tri vrstvy su typu klient-klient (peer-to-peer) – Nasledujúce štyri sú typu end-to-end Aplikačná Prezentačná Relačná Transportná Sieťová Spojová Fyzická Transportná Sieťová Spojová Fyzické médium Fyzická 4

. . . aj dom musí mať dobré základy 7 vrstvový OSI model počítačovej siete základ Definuje: elektrické mechanické procedurálne funkčné špecifikácie pre aktiváciu, riadenie a deaktiváciu fyzického spojenia medzi systémami

Základy dátových komunikácií Fyzická vrstva • Alebo označovaná aj ako prvá vrstva • Úlohou je prenos elektrického, optického alebo rádiového signálu po prenosovom médiu • Popisuje samotné prenosové médium – káble, bezdrátové spojenie • Teda, všetko čo čo sa týka fyzikálnych veličín a fyzikálnych vlastností • Komponenty počítačových sietí, ktoré patria k fyzickej vrstve, sa rozdeľujú na: - pasívne - aktívne 6

Fyzická vrstva • zaoberá sa výhradně prenosom bitov – otázkami typu kódovánia, modulacie, časovania, synchronizacie, el. parametrami signálov, konektormy, riadiacimi sig. rozhrania, . . • na úrovni fyzickej vrstvy sa rozlišuje: – paralelný a sériový prenos – synchronný, asynchronný a arytmický prenos – prenos v základnom a prekladanom pásme • nijako neinterpretuje to, čo • štandardy fyzickej prenáša – jednotlivých bitom neprisudzuje žiadný špecifický význam vrstvy: – RS-232 -C, V. 24 – X. 21, V. 35 –. . . 7

jej úlohou je fyzický prenos dát vo forme jednotlivých bitov a bitových sekvencií zahŕňa služby typu: prijmi bit / odošli bit stará sa napr. o zakódovanie bitov, časový priebeh signálu, obvodové vlastnosti ciest, . . . 0111010110011101101011111000011011. . 8

Základy dátových komunikácií Fyzická vrstva • Pasívne komponenty: • súčasti siete, ktoré len prenášajú signál, nijako ho netvoria, neupravujú ani nezosilňujú. • Patria sem média (káble), koncovky, zásuvky, prepojovacie panely a prepojovacie káble, rôzne konektory a ďalšie. • Aktívne komponenty: • zariadenia, ktoré prenášaný signál zosilňujú, istým spôsobom modifikujú alebo rozmnožujú. Najbežnejšími aktívnymi zariadeniami fyzickej vrstvy sú transceiver, opakovač (hub). 9

Čo je potrebné vedieť z „teoretických základov“? • ako vyjádriť „schopnosť prenášať dáta“ – ako ich správne interpretovať a chápať – ako a v čom ich merať • čím je „schopnosť prenášať data“ určena? – Od čoho závisí, aký je charakter závislosti – ako môžme tento charakter meniť? – kde sú limity. . . • aký je „prenosový potenciál“ nejčastejšie používaných prenosových ciest 10

Reálné vlastnosti prenosových ciest • prenosové cesty nie sú nikdy ideálne – vždy nejako negativne ovplyvňujú prenášaný signál – vykazujú: • útlm (zoslabuje prenášený signál) • zkreslenie(deformuje prenášaný signál) • presluch („prelínanie signálov z iných vedení). . . . • Dôsledok: – každá prenosová cesta prenáša niektoré signály lepšie, ina horšie: • záleží najmä na frekvencii prenášaného signálu a na povahe jeho zmien • niektoré signály sú už tak „deformované“, že nemá zmysel ich danou prenosovou cestou prenášať (pre iné to ešte 11 zmysel má)

Vplyv útlmu a zkreslenia ideálna prenosová cesta vplyv R R vplyv C, L L C 12

Šírka prenosového pásma (bandwidth) „deformácia“ • závislosť „miery deformácie prenášeného signálu“ má väčšinou intervalový charakter – závislý primárne na frekvencii signálu ano nie • Je možné nájsť rozsah frekvencií (fmin až fmax), ktore daná prenosová cesta prenáša s ešte únosnou „deformáciou“ • fmax-fmin predstavuje tzv. šířku prenosového pásma f [Hz] 13

Príklady (šírky pásma) • krútená dvoulinka (twist): stovky MHz – dnes - GHz • koaxiálne kable: stovky MHz • optické vlákna: THz (? ) – ich možnosti nie sú zďaleka využité, potenciál je obrovský 14

Vplyv šířky pásma na prenášaný signál (obecného priebehu) • pre signály, ktoré majú • harmonický (sinusový) priebeh je závislosť zrejmá – frekvencie v rámci šírky pásma sa prenesú „bez zmien“, ostatné vôbec nie • pre signály, ktoré majú • obecný priebeh je efekt obmedzenia šírky prenosového pásma zložitejší pomôcka: každý rozumný signál je možné rozložiť (dekomponovať) na signály harmonického priebehu (podľa Fourieroveho radu) – na tzv. harmonické zložky, s celočíselnými násobkami základnej frekvencie vplyv šírky pásma na harmonické zložky je zrejmý – určitý počet nižších zložiek „prejde“ – vyššie harmonické zložky „neprejdú“ 15

Predstava = = + + +. . . . ? + STOP 16

Prenos v základnom pásme (baseband) • je snaha prenášať jednosmerný signál (I, U), a meniť ho (modulovať) priamo podľa prenášaných binárnych dát U [V] 0 1 0 0 1 t 1 • problém: vplyv – typicky: sú prenášané obmedzenej šírky napäťové/ prúdové prenosového pásma na impulzy obdlžnikového signály obdlžníkového priebehu (Ethernet) priebehu je veľký! 17

Príklad zmena 2000 x za sekundu šírka pásma 500 Hz 1300 Hz 4000 Hz 18

Prenos v základnom pásme (baseband) • používal sa napríklad na • Pri niektorých koaxiálnych kabloch a TP, v prenosových cestach sieťach LAN ho nie je možné použiť: – Ethernet 10 Base 2, – pretože tieto neprenesú 10 Base. T tzv. jednosmernú zložku • obecne je možné tento (frekvencia 0 Hz) spôsob prenosu použiť len • napríklad“: komutované na kratšie vzdialenosti okruhy verejnej telefonnej siete (mali „v ceste“ – kde se ešte tak zaradené prvky typu neprejavuje negativny transformátorov, cez ktoré vplyv reálných jednosmerná zložka obvodových vlastností neprešla) 19 prenosových ciest

Prenos v prekladanom pásme • Základna myšlienka: • Problém: – prenášať taký signál, aký daná prenosová cesta prenáša najlepšie • to je vo väčšine prípadov signál, ktorý • má harmonický (sinusový) priebeh • Nie signál s obdlžnikovým priebehom (ten býva najviac „deformovaný“) – ako prostredníctvom prenášaného harmonického signálu reprezentovať binárne data? Modulacia: – podľa prenášaných dat sa menia niektoré parametre harmonického signálu • napr. amplituda, frekvencia, fáza, . . . ) 20

Predstava modulácie amplitudová modulácia (mení sa A) 0 1 y = A. sin ( w. t + f ) 0 0 0 1 fázová modulácia (mení sa f) 0 frekvenčná modulácia (mení sa w) 21

Analogový a digitálny prenos • analogový prenos: – zaujíma ma konkrétna hodnota prenášanej veličiny • napr. okamžitá hodnota napätie, prud apod. • digitálny prenos: – zajíma ma, či hodnota prenášanej veličiny patrí do jedného intervalu alebo do druhého intervalu • napr. či je hodnota napätia väčšia ak o 0, 6 V alebo nie • (prakticky) každý prenos je vo svojej podstate analogový – prenáša sa veličina, ktorá je svojim charakterom analogová • o digitálnej či analogovej povahe prenosu rozhoduje interpretácia!!!! – analogový prenos nie je nikdy ideálny • nedokáže preniesť hodnotu s ideálnou presnosťou – digitálny prenos je ideálny 22

Modulačná rychlosť • týká sa toho, ako rýchle je • modulačná rychlosť možné meniť prenášaný = počet zmien za signál sekundu – v prekladanom pásme: ako – meria se v rýchle je možné modulovať Baudech [Bd] (meniť amplitudu, frekvenciu, fázu, . . nosného signálu • Nie je možné ju podľa binárnych dat) zvyšovať – v základnom pásme: ako donekonečna rýchle je možné meniť – pretože príjemca by samotný prenášaný signál nedokázal spoľahlivo detekovať jednotlivé 23 zmeny

Nyquistovo kritérium • hovorí, že max(vmodulačná)= 2*šírka_pásma • pomalšie zmeny by nedokázali využít potenciál dostupnej šírky pásma • rychlejšie zmeny by nepreniesli žiadnú informáciu „naviac“ • inač: – aby príjemca mohol získať z prenášaného signálu všetkú užitočnú informáciu, stačí mu vzorkovať jeho prieh 2 x za každú periodu 24

Modulačná vs. prenosová rýchlosť • modulačná rychlosť hovorí, ako rýchle se mení prenášaný signál – meria sa Baudech [Bd] – Nehovorí však nič o prenesených údajoch • záleží na tom, koľko „informácie“ nesie každá jednotlivá zmena signálu • prenosová rychlosť vyjadruje objem dat, prenesených za jednotku času – meria sa v bitoch za sekundu [bps] – nehovorí nič o rýchlosti zmien preneseného signálu 25

Modulačná vs. prenosová rychlosť • obecne platí: vprenosová=vmodulačná * log 2(n) kde n je počet možných stavov prenášaného signálu • modulačná a prenosová rychlosť sa môžu číselne rovnať – ak n=2 • Napr. pri prenose v základnom pásme • v prípade dvojstavovej modulacie 26

Príklady: • Ethernet: – prenosová rychlosť: 10 Mbps – na 1 bit se „spotrebujú“ 2 zmeny prenášaného signálu • kódovánie Manchester – modulačná rychlosť je dvojnásobná • RS-232 -2, Centronics – modulačná a prenosová rychlosť sú rovnaké • telefonné modémy – modem V. 22 bis: • 2400 bps, 600 Bd, n=16 – modem V. 32: • 9600 bps, 2400 Bd, n=16 – modem V. 32 bis: • 14400 bps, 2400 Bd, n=64 – modem V. 34: • 28800 bps, 2400 -3200 Bd, n=512 27

Zvyšovanie prenosovej rychlosti • možné zdroje zvyšovania: • intuitivne: – šírka prenosového pásma • zvýšenie znamená obvykle zmenu prenosového média resp. cesty • zvýšenie obvykle znamená zvýšenie ceny (nákladov) – počet stavov prenášaného signálu (stupeň modulace) • stupeň modulace nie je možné zvyšovať donekonečna – pri prekročení určitého stupňa modulácie (počtu stavov prenášaného signálu) už príjemca nebude schopný tieto stavy správne rozlišiť • exaktne: – kde leží táto hranica – na čom je závislá 28

• Claude Shannon: – hranice je dána Shannonova teoréma • šírkou prenosového pásma • „kvalitou“ prenosovej cesty (odstupom signálu od šumu) – číselne: • max(vprenosová) = šírka pásma * log 2(1 + signál/šum) • nie je to závisle na použitej technologii !!! • nezáleží na použitej modulacii • nevyskytuje sa tam počet rozlišovaných stavov prenášaného signálu 29

(Efektivný) prenosový výkon • prenosová rychlosť je • objem „užitočných“ dat, veličina nominálneho prenesených za jednotku charakteru času, vyjadruje až tzv. prenosový výkon – Hovorí skôr to, ako dlho trvá prenos 1 bitu • meria se v bitoch za sekundu • nehovorí • postihuje: – či sa jednotlivé bity prenášajú „súvisle“ alebo – režiu prenosových nie mechanizmov a formátov – nehovorí, ktoré bity sú – režiu na zaistenie „užitočné“ a ktoré majú režijný charakter spoľahlivosti (opakovanie prenosov). . . 30

Prenosový výkon vs. prenosová rychlosť • faktory znížujúce • suvisiací príklad: prenosový výkon oproti – telefonné modémy so prenosovej rychlosti: zabudovanou on-line – rôzné druhy režie kompresiou (až 4: 1) • faktory zvyšujúce. . . • prenosová rychlosť 28, 8 – kompresia prenášaných dat • záleži na vzájomnom pomere oboch vplyvov – prenosový výkon môže býť i vyšší než prenosová rychlosť kbps (nominálna) • pri max. kompresii medzi modemom a počítačom data „teču“ 4 x rychlejšie, tj. rychlosťou 115, 2 kbps 31

Úvod • Prenosové cesty a prenosové média 32

Ciele • Úvod do problematiky prenosových médií • Štrukturovaná kabeláž 33

Prenosové cesty • linkové (drátové) – koaxiálne kable • prenos v základnom aj prekladanom pásme – krútená dvoulinka – optické vlákno • bezdrátové – rádiové – mikrovlnné – radioreléové – satelitné –. . . • multimodové • jednomodové 34

Prenosové média • Fyzické média, ktorými sú prenášané dáta, hlasový signál alebo iný typ signálu ku svojmu cieľu • Medzi najbežnejšie prenosové média patria: – elektrické vodiče (obvykle medené): • koaxiálny kábel (hrubý, tenký) • krútená dvojlinka – optické vlákna – vzduch (bezdrôtový prenos) 35

Prenosové média • Základné charakteristiky každého prenosového média sú: – odolnosť proti vonkajšiemu elektromagnetickému rušeniu (EMI -Electrical Magnetic Interference) • náhodná energia z vonkajších zdrojov, ktorá môže interferovať so signálmi prenášanými medeným káblom • zdrojom môžu byť napr. motory, lekárske prístroje, fluorescenčné osvetlenie, mobilné telefóny, atmosferická elektrina a pod. 36

Prenosové média – šírka pásma: • udáva sa v Hz • určuje max. frekvenciu nosného signálu • čím je väčšia, tým je aj rýchlosť prenosu vyššia – útlm: • strata sily signálu na médiu s vzdialenosťou • udáva sa v d. B (decibel) na dĺžku média m, 1 km) • možné vypočítať podľa vzťahov: D = 20 log (U 2/U 1) D = 10 log (P 2/P 1) • - 6 d. B (- 3 d. B) znamená 50% útlm (100 37

Prenosové média – impedancia: • veľkosť odporu vodiča striedavému elektrickému prúdu, ktorá pomáha určiť útlmové vlastnosti vodiča • Označenie - Z 0 a jednotkou je (Ohm): – presluch medzi vodičmi (crosstalk): • rušenie signálom zo susedného vedenia • udáva sa v d. B • čím vyššia je hodnota, tým nižšie je toto vzájomné rušenie – cena 38

Linkové prenosové cesty 10 4 viditeľné svetlo 1012 Hz rádio mikrovlny infračerv. UV RTG gamma optické vlákna krútena dvoulinka koax. kabel 4 10 5 k. Hz 6 7 8 MHz 9 10 11 GHz 12 13 14 THz 15 16 1039 Hz

Typy porovnaných káblov • • TP - Twisted Pair cable UTP - Unshielded twisted-pair cable STP - Shielded twisted-pair cable Sc. TP - Screened Twisted Pair cable FTP - Foil Twisted Pair cable Koaxiálny – Coaxial cable Optický - Fiber-optic cable

Koaxiálny kábel (1) Plášť Splietané tienenie Fóliové tienenie Nosný vodič Izolácia 41

Koaxiálny kábel (2) • Vykazuje pomerne dobré parametre pri frekvenciách pod 1 GHz • Skladá sa z nasledujúcich vrstiev: – nosný vodič (signálový vodič): • vodivý drôt, vyrobený väčšinou z medi • môže byť buď plný nebo splietaný • jeho priemer (popr. počet vlákien) je jedným z faktorov ovplyvňujúcom útlm 42

Koaxiálny kábel (3) – izolácia: • izolačná vrstva vyrobená z dielektrika, ktorá je umiestená okolo nosného vodiča • ako dielektrikum sa používa upravený polyethylén alebo teflon – fóliové tienenie: • tienenie z tenkej fólie okolo dielektrika • obvykle zložené z hliníka • toto tienenie nemajú všetky koaxiálne kabely 43

Koaxiálny kábel (4) – splietané tienenie: • splietaný vodič (fólia) vyrobený z medi alebo hliníka • môže slúžiť nosnému vodiču ako uzemnenie • spolu s fóliovým tienením chráni nosný vodič pred EMI – plášť: • vonkajší kryt, ktorý môže byť buď typu: – plenum (žiaruvzdorný) : vyrobený z teflonu alebo kynaru – nonplenum: vyrobený z polyethylénu alebo PVC 44

Koaxiálny kábel (5) • Funkčne môže byť koaxiálny kábel rozdelený na varianty pracujúce v: – základnom pásme (baseband): • má len jeden kanál, ktorým môže byť prenesená len jediná správa súčasne – preloženom pásme (broadband): • môže prenášať niekoľko analógových signálov (na rôznych frekvenciách) súčasne 45

Koaxiálny kábel (6) • Podľa hrúbky môžeme koaxiálne káble rozdeliť na : – hrubý (thick): • hrubý Ethernet kábel, "thicknet", 10 base 5, . . . • priemer Ć = 3/8“ (cca. 1 cm) – tenký (thin): • tenký Ethernet kábel, "thinnet", "cheapernet", 10 base 2, . . . • priemer Ć = 3/16“ (cca. 0, 5 cm) 46

Koaxiálny kábel (7) • Niektoré typy koaxiálnych káblov: – – – RG-6: Z 0 = 75 , používa sa ako pomocný kábel pre CATV i TV RG-8: Z 0 = 50 , používa sa pre hrubý (thick) Ethernet RG-11: Z 0 = 75 , používa sa pre hlavné rozvody CATV i TV RG-58: Z 0 = 50 , používa sa pre tenký (thin) Ethernet RG-59: Z 0 = 93 , používa sa pre ARCnet RG-62: Z 0 = 93 , používa sa pre ARCnet a zapojenia terminálov v IBM SNA sieťach RG - Radio Government SNA - System Network Architecture 47

Koaxiálny kábel (8) • Výhody koaxiálneho káblu: • veľká odolnosť proti EMI • prijateľná cena (tenký koax. kábel) • môže slúžiť i k prenosu hlasu a videa (v preloženom pásme) • Nevýhody koaxiálneho káblu: • zložitá inštalácia (hrubý koax. kábel) • nízke prenosové rýchlosti (do 10 Mbps) 48

Metalické káble • Koaxiálny kábel – Konektory, prepojky, zakončovacie členy, rozbočky. . . Obr. 3 – konektor BNC (pohľad spredu a zboku)

Metalické káble • Koaxiálny kábel - príklad zapojenia NIC koaxiálnym káblom

Krútená dvojlinka • Skladá sa z nasledujúcich častí: – vodiče: • • sú vždy v pároch vzájomne obtočené okolo seba obvykle sú vyrobené z medi môžu byť plné nebo splietané počet párov je rôzny (2, 4, 6, 8, 25, 50, 100), pre sieťové aplikácie sú to najčastejšie 2 alebo 4 páry – tienenie (len u STP): • fóliové tienenie okolo každého páru vodičov • splietané (fóliové) tienenie okolo všetkých párov – vonkajší plášť: • vonkajší kryt vyrobený z PVC (nonplenum) alebo z teflónu príp. kynaru (plenum) 51

TP kábel – Krútená dvojlinka • Výhody: – Väčšia odolnosť voči presluchom (cross talk) ako obyčajná dvojlinka – Nízka cena – Jednoduchá inštalácia • Nevýhody: – Krátka prenosová vzdialenosť – Malá odolnosť voči šumu a interferenciám

UTP kábel – Netienená krútená dvojlinka • Má tie isté výhody a nevýhody ako TP kábel • Obsahuje 4 páry krútených dvojliniek • Maximálna dĺžka kábla je 100 m • Prenosová rýchlosť: 10 – 100 Mbps • Impedancia: 100

Krútená dvojlinka • Vyrába sa v dvoch základných variantoch: – UTP (Unshielded Twisted Pair) - netienená krútená dvojlinka Vonkajší plášť Skrútený pár Vodič s izoláciou z plastu s farebným kódom 54

Krútená dvojlinka (5) • Impedancia vodiča : – UTP 100 – STP 150 • Kategórie káblov UTP (Cat 1 -7) a STP (Cat 3 -7): – – – – Cat 1 - menej ako 1 MHz - anal. a digit. prenos hlasu (telefón) Cat 2 - 4 MHz - Token Ring, 4 Mbps Cat 3 - 16 MHz - 10 base-T, 4 Mbps v Token Ring-u Cat 4 - 20 MHz - Token Ring, 16 Mbps Cat 5 - 100 MHz - 100 Base-T, 1000 Base-T (4 páry) Cat 5 e - 100 MHz - 1000 Base-T Cat 6 - 250 MHz - 10 Gbps Cat 7 - 600 MHz 55

Kategórie UTP káblov Kategórie Kategória 1 Typy Len na prenos zvuku (Telefónny kábel) Kategória 2 Na prenos dát do 4 Mbps (Local. Talk) Kategória 3 Na prenos dát do 10/16 Mbps (Ethernet) Kategória 4 Dáta do 20 Mbps (16 Mbps Token Ring) Kategória 5 Dáta do 100 Mbps (Fast Ethernet)

STP a Sc. TP – Tienená krútená dvojlinka • Výhody: – Väčšia odolnosť voči vonkajším EM vplyvom • Nevýhody: – Vyššia cena – Väčší priemer – Krátka prenosová vzdialenosť (100 m) • Impedancia STP: 150 • Impedancia Sc. TP: 100 alebo 120

Krútená dvojlinka – STP (Shielded Twisted Pair) - tienená krútená dvojlinka Vonkajší plášť Celkové tienenie Tienenie párov Skrútený pár Vodič s izoláciou z plastu s farebným kódom 58

FTP kábel – Fóliou tienený kábel • Výhody: – Lacnejší ako STP – Menší priemer oproti STP • Nevýhody: – Fólia nemá také dobré vlastnosti ako kovový oplet

Kategórie STP káblov Kategórie Kategória 5 e Typy Na prenos dát do 100 Mbps Kategória 6 Na prenos dát do 250 Mbps Kategória 7 Na prenos dát do 600 Mbps

RJ-45 konektor • Slúži na ukončenie UTP resp. STP káblov • Výhody: – Jednoduchý montáž – Spoľahlivé spojenie 1 • Nevýhody: – Špeciálne náradie na montáž – Jednorázové použitie

Zapojenie RJ-45 konektorov podľa T 568 Cross-connect kábel: na priame prepojenie dvoch počítačov, HUB-ov alebo SWITCH-ov. A B 1 2 3 4 5 6 7 8 Rollover kábel: na prepojenie počítača s routerom. A B 1 2 3 4 5 6 7 8 Straight-through kábel: na priame prepojenie zariadení. A B 1 2 3 4 5 6 7 8

TIA/EIA-568 -A categórie pre TP • CAT 1 a CAT 2 – nepoužívajú sa však pre LAN • u nás sú oficiálne povolené len CAT 5 a vyššie • CAT 6 a CAT 7 sú ešte vo vývoji 63

Krútená dvojlinka • Výhody krútenej dvojlinky: – – UTP je ľahký a flexibilný (jednoduchá inštalácia) STP poskytuje dobrú ochranu proti EMI pomerne nízka cena (najmä UTP) vysoká dostupnosť • Nevýhody krútenej dvojlinky: – STP je hrubý a ťažko sa s ním pracuje – UTP je citlivý na rušenia – UTP signály nemôžu byť prenášané bez regenerácie (zosilnenia a čistenia) na väčšie vzdialenosti (v porovnaní s inými typmi káblov) 64

Porovnanie TP 65

Použitie Twisted Pair-u • 10/1000 BASE-T • 4/16 Mbps Token Ring • 155 Mbps ATM 66

UTP – Unshielded twisted pair Farebné kódovanie RJ - 45 UTP kábel Farebné kódovanie UTP RJ – 45 konektor

Optické káble • Sú založené na odraze svetla. Celá technológia je založená na zákone uhla dopadu a odrazu a zákone lomu. • Rýchlosť prenosu dát je daná rýchlosťou šírenia svetelného lúča vo vnútri vlákna. • Rozdelenie: » Multimodové » Singlemodové

Zákon uhla dopadu a odrazu ( reflection ) a b • Uhol dopadu a je totožný s uhlom odrazu b a = b

Zákon lomu ( refraction ) n 1 > n 2 n 1 < n 2 n 1 • Pri dopade lúča sa časť lúča odrazí, ale časť sa pohltí plochou, na ktorú lúč dopadol. • Pri prechode lúča z jedného prostredia do druhého dochádza k lomu. Ak prechádza z prostredia z vyšším indexom lomu do prostredia s nižším, lúč sa láme ďalej od normály a opačne.

Optické vlákna • Index lomu : n 1 < n 2 • Ak majú byť dáta prenášané vláknom musia do vlákna vchádzať max. pod uhlom c • Lúče sa musia vo vnútri vlákna odrážať pod uhlom a

Multimódové vlákno Jadro F = 50 a 62, 5 mm Cladding Ochranný lak • Hrubší ako singlemodové vlákno čo spôsobuje, že svet. Lúč sa môže šíriť viacerými cestami • max. vzdialenosť 2 km • vhodný pre LAN popr. Na prepojenie budov na krátke vzdialenosti • ako zdroj svetelných lúčov používa LED diódy • Označenie 50 / 125 alebo 62, 5 / 125

Multimódové vlákno Optické vlákno LED • Ak LED emituje svetlo, tak to sa šíri všetkými smermi. • Hrúbka vlákna umožňuje šírenie svetla viacerými cestami

Singlemódové vlákno Jadro F = 9 mm Cladding Ochranný lak • max. vzdialenosť 3 km • tenké jadro • ako zdroj svetelných lúčov používa laser • označenie 9 / 100 • vlákno môže byť chránené kevlarovým poťahom • vyhotovenie voľné a pevné

Singlemódové vlákno Laser Optické vlákno Cvak !!! • Svetelný lúč lasera má väčší výkon a šíri sa jen jedným smerom s vysokou koncentráciou fotónov • Prenos informácii na väčšie vzdialenosti

Vlastnosti optických káblov : • Výhody : » Vyššie prenosové rýchlosti na väčšie vzdialenosti » Prepojenie kontinentov • Nevýhody: » Jedným vláknom len jednosmerná komunikácia » Vysoká cena » Nutnosť prevodníkov elektrické signály – svetelné lúče a opačne » Väčšia náročnosť inštalácie » Aj mikroskopické chyby v štruktúre kábla spôsobujú chyby v prenose ( napr. úbytok výkonu lúča )

Optický kábel (1) 50/125, step index, multi-mode Obal Plášť svetlovodu Jadro 8/125, single-mode 50/125, graded index, multi-mode Plášť svetlovodu Jadro 77

Optický kábel (4) – plášť svetlovodu: • vyrobený ako jedna časť spoločne s jadrom • jedná sa o vrstvu (obyčajne z plastu) s nižším indexom lomu svetla ako má jadro: c - rýchlosť svetla vo vákuu n = c/v v - rýchlosť svetla v danom materiále Médium n vákuum 1. 0000 vzduch 1. 0003 voda 1. 33 plášť svetlovodu 1. 46 jadro 1. 48 • jeho úlohou je "udržať" svetlo vo vnútri svetlovodu • priemer plášťa je od 100 mikrometrov do 1 mm 78

Optický kábel (5) – obal: • vonkajšie ochranné puzdro (plenum alebo nonplenum) – zosilňovacia vrstva • niektoré typy optických káblov • medzi plášťom jadra a obalom nachádza vrstva kevlarových vlákien, ktorá zabraňuje jeho náhodnému prelomeniu a zvyšuje jeho celkovú pevnosť • Rozdelenie optických káblov: 1. Podľa počtu prenášaných vidov (svetelných priebehov) 2. Podľa typu plášťa svetlovodu 3. Podľa umiestnenia svetlovodu v jeho plášti 79

Optický kábel (6) 1. Podľa počtu prenášaných vidov (svetelných priebehov) – jednovidové (single-mode): • • • jadro má veľmi malý priemer (5 -8 mikrometrov) svetlo môže v jadre postupovať len jednou cestou obtiažnejšie sa inštaluje pretože vyžaduje väčšiu presnosť dovoľuje vysoké prenosové rýchlosti (cez 50 Gb/s) má veľmi malý útlm prenos dát až do 3 km 80

Single-mode vlákno

Optický kábel (7) – multividové (multi-mode): • majú hrubšie jadro ako jednovidové • svetelný lúč má viac priestoru a môže prebiehať v jadre viacerými cestami • viacero svetelných priebehov môže viesť k rušeniu signálu na strane prijímača • ako veličina skreslenia sa používa modálna disperzia, ktorá sa udáva v ns/km a predstavuje rozdiel medzi najrýchlejším a najpomalším svetelným priebehom • prenos dát do 2 km 82

Multi-mode vlákno

Single mode and multi mode • Single: Light to travel in a straight line. • Multi: Light to travel multiple paths. 84

Optický kábel 2. Podľa typu plášťa svetlovodu step index kábel: • kábel so skokovou zmenou v indexe lomu • používa sa u multividových i jednovidových káblov • v prípade multividových káblov sa jedná o najjednoduchší a najlacnejší typ optického káblu – jadro má priemer 50 až 125 mikrometrov, plášť svetlovodu 140 mikrometrov – vhodné prenosové rýchlosti 200 Mb/s - 3 Gb/s 85

Optický kábel – graded index kábel: • kábel s postupnou zmenou indexu lomu • používa sa len u multividových káblov • lepšie vedie svetelný signál, má nižší útlm i menšiu modálnu disperziu • umožňuje až 10 krát širšie prenosové pásma ako multividový step index kábel • najčastejšie používaný typ optického káblu 86

Optický kábel 3. Podľa umiestenia svetlovodu v jeho plášti – loose-tube konštrukcia: • svetlovod je umiestnený voľne v jeho plášti • medzi svetlovodom a plášťom je vzduch alebo gél • tlmí sa lokálny ohyb svetlovodu • predchádza microbending-u svetlovodu – tight-buffer konštrukcia: • svetlovod je fixne umiestnený v jeho plášti • zvyšuje pevnosť káblu • svetlovod sa nešúcha o steny plášťa 87

Optický kábel • Optické káble sú špecifikované v tvare priemer jadra/priemer plášťa svetlovodu (jednotkou je mikrometer): – 8/125: jednovidový kábel, veľmi drahý, vhodný pre vlnové dĺžky 1300 nm alebo 1550 nm – 62. 5/125: najpoužívanejší typ, vhodný pre vlnové dĺžky 850 nm alebo 1300 nm – 100/140: špecifikácia IBM pre siete Token-Ring 88

Optický kábel • Útlm na optickom kábli: – Pohybuje sa približne od 0, 5 d. B/km (jednovidové) až do 1000 d. B/km (plastické multividové) – vnútorný: • scattering: odraz časti svetla spôsobený mikroskopickými nepresnosťami v jadre • absorption: spôsobená nečistotami v materiále, ktoré pohlcujú časť energie a premieňajú ju na teplo – vonkajší: • macrobending: vzniká nevhodným ohybom káblu • microbending: vzniká drobnými nerovnosťami na rozhraní medzi jadrom a jeho plášťom 89

FIBER OPTIC CABLE Optický kábel Simplexné a duplexné spojenie

FIBER OPTIC CABLE ST SC FC Výhody LC Nevýhody Odolnosť voči rušeniu Cena Veľká prenosová rýchlosť Drahé vysielače a prijímače Veľká prenosová kapacita Drahé spájanie káblov Prenos na dlhé vzdialenosti Bezpečné médium

Optický kábel • Ďalšie nevýhody: – Na prenos informácií potrebujeme dve vlákna – Potrebujeme špeciálne náradie na prepojenie spojovacích šnúr (patch cord) – Po inštalácii musíme premerať prenosovú charakteristiku každého vlákna – je to drahé

WIRELESS MÉDIA Štandardy pre bezdrôtové siete: • 802. 11 b, a, g 802. 11 b je tiež nazývaný ako Wi. Fi, 2. 4 GHz. Pracuje na 11, 5. 5, 2 a 1 Mbps. Je to dôležité kvôli spätnej kompatibilite. 802. 11 a pracuje na 5 GHz, využitie v WLAN, prenosový rýchlosť 54 Mbps, nekompatibilné s 802. 11 b 802. 11 g všetko rovnaké ako 802. 11 a ale kompatibilné s 802. 11 b

WIRELESS MÉDIA

Wireless zariadenia 95

Bezdrátové prenosové cesty 10 4 1012 rádio mikrovlny AM FM rádio infračerv. 10 5 k. Hz 6 7 8 MHz UV RTG gamma satelity laserové, optické spoje Mikrovl. spoje TV 4 viditeľné svetlo 9 10 11 GHz 12 13 14 THz 15 16 1096 Hz

Antény 97

Úvod • Koncepcia štrukturovanej kabeláže • Sieťové technológie • http: //new-www. cnl. tuke. sk/audio 98

Ciele • Úvod do problematiky štrukturovaných kabeláži • Príklady sieťových technológií a ich využitie 99

Organizácia prenosových médií Štruktúrovaná kabeláž 100

Obsah • • Štruktúrovaná kabeláž ANSI/TIA/EIA-569 -A ANSI/TIA/EIA-568 -A Káblové komory MDF a IDF Požiadavky na MDF a IDF Príklady umiestnenia MDF a IDF Komponenty 101

Štandardizácia • ISO—International Standards Organization • IEEE—Institute of Electrical and Electronic Engineers • TIA—Telecommunications Industry Association • EIA—Electronics Industry Association • UL—Underwriters Laboratories 102

Štruktúrovaná kabeláž Ø Rôzne kombinácie protokolu prenosu dát (Token Ring, CDDI, Ethernet, FDDI atd. ) Ø Rozšírená hviezdicová topológia Ø Káble: ØKrútená dvojlinka (TP=twisted pair) ØOptické kabeláže (chrbticová kabeláž) 103

ANSI/TIA/EIA-569 -A Ø horizontálna kabeláž (max. 100 m) Ø telekomunikačné komory Ø chrbticová kabeláž Ø izby s vybavením Ø pracovné územia Ø vstupné zariadenia 104

ANSI/TIA/EIA-568 -A 105

Horizontal Cabling (TIA/EIA 568 A) Work Station (Patch Cable) Cross-Connect Jumpers (Patch Cable) Horizontal Cable Run 3 m + 90 m + 6 m = 99 m. . . or approx. 100 meters for CAT 5 UTP 106

Types of Connections in a LAN

Káblové komory MDF a IDF Ø MDF – Main Distribution Facility Øhlavné distribučné zariadenie ØMCC – hlavný rozvádzač Ø IDF – Intermediate Distribution Facility Øpomocné distribučné zariadenie ØICC – medziľahlý rozvádzač ØHCC – horizontálny rozvádzač 108

Topologické hľadisko výberu miestnosti 109

Rozmery MDF a IDF Územie [m 2] Veľkosť káblovej komory [m 2] 1000 3. 0 x 3. 4 800 3. 0 x 2. 8 500 3. 0 x 2. 2 110

Požiadavky na MDF a IDF Ø zvýšená vydláždená podlaha Ø steny pokryté nehorľavým materiálom Ø telefónna prípojka Ø teplota cca 21º C Ø relatívna vlhkosť vzduchu cca 30% - 50% Ø dve oddelené nespínané sieťové prípojky (230 V) Ø osvetlenie min. 500 lux vo výške 2. 6 m (nie žiarivka) Ø 0. 9 m široké dvere otvárané smerom z miestnosti 111

Chrbticová kabeláž 112

Maximálne vzdialenosti chrbticovej kabeláže 113

Horizontálna kabeláž 114

Umiestnenie MDF a IDF v poschodovej budove Ø z dôvodu zníženia nákladov sa umiestňuje MDF do stredu budovy Ø POP - Point of Presence Ø telefónna prípojka Ø pripojenie na internet 115

Umiestnenie MDF a IDF v komplexe budov 116

Výber potencionálnych miestnosti 117

Zapojenie pracovných stanic Jednoposchodová budova Ø Jedna káblova komora typu MDF Ø LSA-PLUS – systém rýchleho spojenia vodičov (konektory RJ 45) 118

Miesto pre rozvádzač vybrať tak, aby bola plocha poschodia pokrytá kružnicou s polomerom cca 50 m. 119

Prepojenie rozvádzačov TIA/EIA-586 -A pripúšťa metalické aj optické káble • Nad 90 m jednoznačne optika • Pod 90 m je možné použiť aj metalický (UTP) kábel - ak má budova niekoľko uzemňovacích bodov, môže sa stať, že dôjde k rozdielu potenciálov na rozvádzačoch a tým pádom k poškodeniu zariadení. . . - v tom prípade je lepšie použiť optiku. 11/22/2020 Peter Nusios 120

Komponenty Ø dátové zásuvky(s konektormi RJ-45) Ø prepojovacie panely (Patch panel) Ø prepojovacie káble (CAT 5, CAT 5 e atď. ) Ø dátové rozvádzače 121

Types of Connections in a LAN • Identify the pinout of the straight-through and cross-over cables

Dátové zásuvky 123

Prepojovací panel 124

Prepojovacie káble 125

Dátové rozvádzače 126

Ethernet Fundamentals 127

Ethernet • väčšina sieťových zapojení v Internete začína a končí ethernetovým zapojením; • ľahko a lacno sa inštalujú; • spoľahlivé; • možnosť spolupráce s ďalšími technológiami, ktoré sa ľahko implementujú; • otvorený štandard 802. 3 vytvorený s kompatibilitou ISO/OSI, • rôzne verzie Ethernetu majú fyzickú vrstvu zvyčajne dosť odlišnú, ale spojovú vrstvu dosť podobnú. 128

IEEE 802. 3 IEEE 802 - štandardy pre LAN • 802. 1: úvod a spoločné časti • 802. 2: „vyššia podvrstva“ (logical link control) • 802. 3 – 802. 5: „nižšia podvrstva“ (media access control) a fyzická vrstva – (IEEE = Institute of Electrical and Electronic Engineers) 129

Ethernet – história • Je najpoužívanejšou sieťovou technológiou dneška. Jeho koncepcia však pochádza z doby, keď možnosti výrobných technológií a požiadavky používateľov boli dosť odlišné od dnešných. • Vývoj technológie ethernetu prilákal Intel a DEC a tie spolu s Xeroxom vyvýjali ethernet ďalej • V roku 1980 bola koncepcia Ethernetu predložená spoločnosti IEEE a jej pracovnej skupine 802. 3. Tá ju s drobnými úpravami prevzala, a vydala ako svoj štandard. 130

História IEEE 802. 3 • Počiatky v roku 1973 v PARC (Palo Alto Researcg Center) – výskumné stredisko Xeroxu – vývoj prenosovej technológie pre lokálne siete. • 1976 – sieť CSMA/CD 2, 94 Mb/s v Xerox PARC • 1980 – štandard pre sieť CSMA/CD 10 Mb/s od firiem Digital, Intel a Xerox – Ethernet • 1983 – štandard IEEE 802. 3 (zovšeobecňuje a mierne upravuje pôvodný DIX Ethernet) • Vlastnosti IEEE 802. 3: – topológia: zdieľaná zbernica – riadenie prístupu spôsobom CSMA/CD – rôzne médiá s rýchlosťami 1 Mb/s – 10 Gb/s 131

Ethernet • Podoba Ethernetu, na prelome sedemdesiatych a osemdesiatych rokov v stredisku PARC, vychádzala na jednej strane z určitých potrieb, a na druhej strane z možností daných vtedajšou technologickou základňou. • Technológie – 10 Mbps, hrubý koaxiál, CSMA/CD 132

Ethernet • rýchlosť prenosu v Mbps: 10, 1000, 10 G • spôsob posielania signálov: – BASE (1 frekvencia na prenos), – BROAD (jedným káblom viacero nezávislých signálov, napr. rádio, TV) • typ média: 2, 5, -TX, -SX, -LX – F = fiber – optické vlákno – T = medený netienený kábel 10 Base. T, 10 Base 2, 100 Base. TX 133

Data link layer • 2. vrstva OSI modelu; • rozdelená na 2 podsiete: • MAC (Media Access Control) – súvisí s fyzickými komponentami; komunikácia; • LLC (Logical Link Control) – komunikačné procesy – nesúvisí s fyzickým pripojením – pridáva hlavičku a trailers - uložené informácie pre 2. vrstvu cieľovej stanice; – údaje z LLC sa združia do rámcov medzi hlavičku a trailer. 134

Ethernet a OSI model • pracuje na prvej vrstve OSI a na nižšej polovici druhej vrstvy (podsieť MAC); • prenos údajov medzi dvoma ethernetovými hostami zvyčajne cez repeater; • problém, ktorý vznikne v časti kolíznej domény ovplyvňuje celú doménu, • 1. vrstva – prenos signálov cez prenosové médium; komponenty, ktoré zabezpečujú presun bitov do kábla a rôzne technológie; • 2. vrstva - rieši obmedzenia prenosu (funkcií) 1. vrstvy. 135

Repeater • nerozdeľuje sieť na viaceré segmenty, • každý prijatý signál vysiela; • všetky údaje posiela všetkým staniciam v sieti; • z portu, na ktorý prišiel signál, sa signál už nepošle; • ak je signál narušený repeater ho obnoví, ak je zoslabený, tak ho zosilní, • pre optimalizáciu prenosu v sieti sa určilo pravidlo 5 -4 -3 (viď modul 5), • 1 kolízna doména. 136

MAC adresa • 2. vrstva OSI modelu; • 48 bitov – 12 šestnástkových číslic; (viď: 6. 1. 4) • prvých 6 číslic – určuje výrobcu – ozn. sa ako OUI (Organizational Unique Identifier); • druhých 6 číslic – dodáva výrobca – zvyčajne sériové číslo rozhrania; • burned-in MAC adresy – v ROM a počas inicializácie NIC sa kopírujú sa do RAM; • použitie – NIC na overenie doručenia správy k vyšším vrstvám OSI modeu, • každé zariadenie v LAN – počítač, tlačiareň, router, switch. 137

MAC adresa • v sieti LAN; • cieľová MAC adresa pre komunikáciu dvoch zariadení; • zdroj – k hlavičke správy pridá MAC adresu cieľa a pošle údaje; • cieľ – každé zariadenie zistí, či prichádzajúca MAC adresa je preň, ak nie, zničí rámec, ak áno, vytvorí kópiu a pošle info vyšším vrstvám; 138

10 -Mbps Ethernet Legacy Ethernet 139

Legacy Ethernet • patria sem: – 10 BASE 2 – 10 BASE 5 – 10 BASE-T • funkcie: – – časovanie formát rámca proces prenosu pravidlá návrhu 140

Parametre 10 -Mbps Eth Vlastnosť Hodnota bit time 100 ns slot time 512 bit times (64 okt. ) rozostup rámcov 96 bitov / 9. 6 μs max. počet pokusov o znovuposlanie toho istého rámca 16 collision backoff limit 10 veľkosť jam signálu 32 bitov max. veľkosť rámca 1518 oktetov min. veľkosť rámca 512 bitov (64 oktetov) 141

Signal Quality Error • keď sa rámce presunú z podvrstvy MAC na fyzickú vrstvu, najskôr sa ukončí prenos údajov a procesy a ža potom dôjde k prenosu bitov po fyzickom médiu; • aktivácia signálnej chyby: – – – kolízia, prerušenie prenosu, na prenosovom kanáli sa vyskytli rušivé signály nastal skrat úspešné doručenie posledného rámca (do 4 – 8 μs) • transceiver vyšle signálnu chybu riadiacej jednotke; • oboznámi ju o stave kolízneho okruhu. 142

CSMA/CD • Vo väčšine sietí sa všetky uzly a zariadenia delia o jedno prenosové médium, to vyžaduje existenciu presných pravidiel prístupu na médium. • CSMD/CD vychádza zo snahy o maximálnu jednoduchosť a efektívnosť pri malom zaťažení siete. • Predpokladá, že každý záujemca o právo vysielať bude najskôr chvíľu počúvať, či práve nevysiela niekto iný. • Ak zistí, že to tak nie je, má právo začať vysielať sám, zatiaľ čo v opačnom prípade musí čakať na koniec práve prebiehajúceho vysielania. 143

CSMA/CD • CSMA/CD využíva broadcasting • Správa sa jednoducho vysiela všetkými smermi s nádejou, že bude prijatá adresátom. Táto technika je porovnateľná so spôsobom distribúcie rozhlasových signálov s tým rozdielom, že tí, ktorým správa nebola adresovaná ju musia ignorovať. • Pri tejto metóde má významnú úlohu adresovanie. Smerovanie má menší význam, pretože všetci účastníci sú pripojení zároveň. Protokol musí zabezpečiť, že komunikačné médium je dosiahnuteľné všetkými účastníkmi a zamedziť konfliktom. 144

CSMA/CD • Carrier Sense – každá stanica monitoruje stav na prenosovom médiu; nezačne vysielať, kým vysiela niekto iný • Multiple Access – v momente, keď nikto nevysiela, môže stanica začať vysielať • Collision Detection – stanica počas svojho vysielania zisťuje, či vysiela sama; ak nie, – prestane vysielať – počká náhodne určený čas – začne vysielať opäť (ak je kanál voľný) 145

• čas čakania: určuje sa náhodne ako 0 až 2 i-1 časových slotov (1 slot = 51, 2 μs) – kde i = min { číslo pokusu, 10 } • spolu sa vykoná 16 pokusov 146

CSMA/CD • Vysielač kolíziu pozná podľa skreslenia signálu, spôsobeného ďalším vysielačom. Zastaví prenos a je pritom takmer isté, že prijímač neprijal dáta správne. • Ak je zistená kolízia, oba vysielače zastavia vysielanie a pokračujú po náhodne zvolenom časovom intervale. Tento časový interval je nevyhnutný, aby sa rovnaká chyba kolízie neopakovala stále. • Jedinou nevýhodou všesmerového vysielania je jej citlivosť na preťaženie. Pokiaľ je počet účastníkov, ktorí chcú vysielať veľký, systém sa stane nepriechodným pre veľký počet kolízií. 147

MAC rules and collision detection/backoff 148

CSMA/CD • Maximálna záťaž pre CSMA/CD nesmie nikdy presiahnuť 80%, inak komunikácia úplne zlyhá. 149

Ethernet • Vzniklo mnoho jej variantov, ktoré sa líšia prenosovou rýchlosťou a médiom, označovanie na obrázku: 150

Ethernet • Ethernet pôvodne vznikol nad zbernicovou fyzickou topológiou, a teda aj logickou topológiou bola zbernica. • V minulosti Koaxiálny kábel – a k zbernici boli paralelne pripojené všetky stanice. • Tie medzi sebou mohli komunikovať iba halfduplexne – znamená to, že každá stanica síce mohla prijímať i vysielať dáta, avšak nie súčasne. • Samotný zbernicový kábel musel mať na oboch svojich koncoch zapojené ukončovacie odpory, tzv. terminátory, ktoré zabraňovali odrazom signálu od koncov vedenia naspäť do kábla. Pre celý priebeh kábla medzi dvomi terminátormi sa zaužíval pojem segment 151

Ethernet • Postupom času začal koaxiál ustupovať do úzadia z dôvodu príchodu tzv. Twisted pair kábla a namiesto zbernicovej topológie sa začala používať hviezdicová topológia. • V minulosti boli centrom hviezdicovej topológie huby. Používal sa 10 Mbps Ethernet, v každom kábli 4 žily na prenos, 2 na príjem a 2 na odosielanie – fullduplex • Vznik kolíznych domén – veľmi dôležitý pojem a veľmi zložitý problém. 152

Ethernet • Postupným vývojom prechod na 100 Mbps pri použití Twisted pair kábla. V strede hviezdicovej topológie switch. • Switch už rozdeľuje kolízne domény. • Switch môže spracúvať framy v troch základných režimoch: – Cut through - Store and forward - Fragment free 153

Fyzická vrstva - médiá 10 Base-5: „hrubý koax“, 500 m, 100 uzlov/seg. , len half-duplex 10 Base-2: „tenký koax“, 185 m, 30 uzlov/seg. , len half-duplex 10 Base-T: twisted pair (2 páry), 100 m 10 Base-FL: optické vlákno, 2000 m 100 Base-TX: TP CAT-5, 2 páry, 100 m 100 Base-T 4: TP CAT-3, 4 páry, 100 m, len half duplex 100 Base-FX: FO, 412 m (half duplex), 2000 m (full duplex) 1000 Base-CX: tienený TP, 25 m, len full duplex 1000 Base-SX: FO, 550 m, len full duplex 1000 Base-LX: FO, 5 km, len full duplex 1000 Base-T: TP CAT-5, 4 páry, 100 m, len full duplex 10 GBase-. . . : len optické vlákna, len full duplex 154

Fyzická vrstva - kódovanie Manchester Encoding používa sa v pôvodnom (10 Mb/s) systéme 802. 3 155

Formát rámca (a) DIX Ethernet (b) IEEE 802. 3 Preamble/SOF = 1010. . . 10101011 Type = protokol 3. vrstvy Adresy: začínajúce 0 – unicast začínajúce 1 – multicast špeciálny prípad: FFFF. . . FF – broadcast minimálna veľkosť rámca (bez preamble): 64 bytov 156

Interframe spacing and backoff • The actual calculated slot time is just longer than theoretical amount of time required to travel between the furthest points of the collision domain, collide with another transmission at the last possible instant, and then have the collision fragments return to the sending station and be detected. • For the system to work the first station must learn about the collision before it finishes sending the smallest legal frame size. • To allow 1000 -Mbps Ethernet to operate in half duplex the extension field was added when sending small frames purely to keep the transmitter busy long enough for a collision fragment to return. 157

Interframe spacing and backoff • • After a frame has been sent, all stations on a 10 -Mbps Ethernet are required to wait a minimum of 96 bit-times (9. 6 microseconds) before any station may legally transmit the next frame. On faster versions of Ethernet the spacing remains the same, 96 bit-times, but the time required for that interval grows correspondingly shorter. This interval is referred to as the spacing gap. The gap is intended to allow stations time to process the previous frame and prepare for the next frame. 158

Prepájacie prvky • repeatre – regenerujú a opakujú prijatý signál – spolu s pripojenými stanicami tvoria jednu kolíznu doménu • switche (bridge) – prijmú rámec a pošlú ho ďalej (s uložením v buffri, ak je to potrebné) – učia sa automaticky – topológia bez cyklov – sieť pozostávajúca len zo switchov, repeatrov a staníc tvorí jednu broadcastovú doménu – v plne switchovanej sieti kde sú všetky linky typu bodbod, odpadá potreba CSMA/CD • routre – vec 3. vrstvy 159

Protokoly ARP a RARP 160

Obsah • • • Funkcia ARP Paket protokolu ARP Cache RARP Proxy ARP 161

Funkcia ARP • ARP (Address Resolution Protocol) – Zisťuje fyzickú adresu cieľovej stanice pričom poznáme jej IP-adresu. – Vysiela žiadosť s prosbou o nájdenie fyzickej adresy. – Stanica, ktorej sa žiadosť týka, dostane túto žiadosť a vyšle odpoveď so svojou fyzickou adresou. 162

IP 1 MAC 1 Žiadosť IP 2 MAC 2 IP 1 MAC 1 Odpoveď IP 2 MAC 2 163

Paket protokolu ARP Typ link. Typ sieť. 2 2 HS PS 1 1 OP Odosielat. fyz. adresa 2 6 Odosielat. Prijemcova IP adresa fyz. adresa IP adresa 4 6 4 • Typ linkového protokolu (pre Ether. II vyhradené číslo 1) • Typ sieťového protokolu (pre Ethernet II vyhradené číslo 80016) • HS – dĺžka linkovej adresy • PS – dĺžka sieťovej adresy • OP – operácia – – ARP žiadosť – hodnota 1 ARP odpoveď – hodnota 2 RARP žiadosť – hodnota 3 RARP odpoveď – hodnota 4 164

ARP Cache • Pracovná pamäť, do ktorej systém automaticky uloží fyzickú adresu ku každej IP adrese. • Zobrazenie ARP Cache príkazom: arp –a • Vloženie statickej položky: arp –s 147. 232. 155. 4 00 -11 -a 0 -f 1 -ff-08 • Vymazanie položky: arp –d 147. 232. 155. 4 Príklad výpisu ARP Cache príkazom: arp -a 165

ARP Cache • Položky sú v ARP Cache zapísané – Staticky – zapísané explicitne príkazom arp. Ostávajú v pamäti stále. Periodicky sa musia aktualizovať. – Dynamicky – zapisujú sa automaticky pomocou ARP mechanizmu. Ich doba života je nastavená jadrom OS (približne 20 min. ). 166

RARP • Reverzný ARP – Slúži k prekladu fyzickej (MAC) adresy na IP adresu – Používa rovnaký formát paketu ako ARP – Zmysel protokolu je u bezdiskových staníc – V praxi sa takmer nepoužíva, nahradil ho protokol DHCP. 167

Proxy ARP • Táto možnosť nastáva, ak máme 2 LAN siete oddelené smerovačom. • Smerovač je nakonfigoravaný ako Proxy ARP. • Pri žiadosti smerovač vráti svoju fyzickú IP 2 adresu. podsieť IP 1 MAC 1 žiadosť MAC 2 Proxy ARP smerovač 168

Úvod • Ethernet II. 169

Ciele • Pokračovanie technológií príkladu sieťových 170

Ethernet II. 171

Vytváranie rámcov • • proces zapúzdrenia 2. vrstvy; dátová jednotka – rámec; zložený zo skupín bitov = pole; typy polí: – štartovacie rámcové pole, pole adresy, – dĺžka / typ poľa, pole s údajmi, – pole Frame Check Sequence (FCS); • špecifické polia: dĺžka rámca, typ poľa (špecifikácia protokolu 3. vrstvy); • pomenované informácie: – meno zdrojového uzla; zdrojová MAC adresa; – meno cieľového uzla; cieľová MAC adresa; 172

Ethernet (IEEE 802. 3) P R E A M B U L A oddeľovač Cieľová Zdrojová MAC adresa Dĺžka typ Údaje PAD F C S 173

Popís rámca • preambula – striedanie jednotiek a núl, ktoré sa používa na synchronizáciu v sieťach Ethernet s rýchlosťou 10 Mbps a menej. Rýchlejšie siete ich nepotrebujú; • oddeľovač (Start Frame Delimiter) – označuje začiatok samotného rámca, jeho hodnota je postupnosť bitov 10101011; • cieľová MAC adresa – môže byť typu unicast, multicast, broadcast; • zdrojová MAC adresa – typ unicast; 174

Typy adries • unicast - adresa jedného konkrétneho zariadenia • multicast - adresa určitej skupiny zariadení • broadcast – adresa, ktorú musia prijať všetky zariadenia v sieti; 175

Popís rámca • pole dĺžka / typ – dĺžka rámca sa uvádza, ak je jeho hodnota v šestnástkovej sústave menšia ako 0 x 0600. V tomto prípade protokol na prenos údajov určuje podvrstva LLC. Inak sa uvádza typ protokolu, ktorý sa nachádza na vyššej vrstve a ten prijíma údaje; • pole údaje príp. pad – nešpecifikované údaje (pad) sa pridajú v prípade, že dĺžka prenášaného rámca je menšia ako minimálna dĺžka rámca, ktorý sa dá preniesť Ethernetom. Ethernet podporuje dĺžku rámca v rozmedzí 64 až 1518 oktetov; • FCS – hodnota kontrolného súčtu. Zvyčajne sa udáva hodnota CRC. 176

FCS • CRC (Cyclic Redundancy Check) – prepočet údajov; • dvojdimenzionálna parita – pre každý riadok a pre každý stĺpec matice s hodnotami 0 a 1 sa pridá jeden kontrolný bajt, ktorý udáva, či je počet jednotiek v ňom párny (0) alebo nepárny (1). Do rohu sa ešte umiestni jeden bajt, ktorý overuje párnosť jednotiek v celej matici. • zdroj – určí kontrolné číslo na základe údajov v rámci; • pridá sa na koniec rámca; • cieľ – prepočíta FCS a porovná sa s číslom FCS v rámci; • rôzne = chyba – zničenie rámca; • zhodné = úspešný prenos; • zdroj o chybe nevie – nanovo posielajú spojovoorientované protokoly vyšších vrstiev (TCP) 177

Technológie 2 vrstvy • FDDI • Token Ring • Ethernet – logická topológia - zbernica; – fyzická topológia – hviezda alebo rozšírená hviezda; 178

CSMA/CD I (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) • využívajú aj nedeterministické MAC protokoly (zbernicová topológia); • sieťové karty „počúvajú“ či sa sieťou šíri signál; – nie – nastane vysielanie údajov • kolízia - súčasne vysielajú 2 stanice - prerušenie šírenia signálu; • jam signál (zvyčajne striedanie 0 a 1) - rozšíri správu o kolízii po celej sieti; • (vyslaný signál < > signál na zbernici) = zariadenia sa dozvedia o kolízii; • maximálne 16 krát sa opakuje prenos, inak vygeneruje chybu, ktorú oznámi sieťovej vrstve. 179

CSMA/CD II - backoff alg. • spustí sa, keď všetky stanice budú upovedomené o kolízii; • posielanie rámcov sa zastaví; • všetky stanice (rovnaká doba čakania na vyslanie ďalšieho rámca) = väčšia pravdepodobnosť vzniku kolízie; • Riešenie: – backoff vygeneruje každej stanici náhodný čas prístupu k médiu; – priorita vysielania - stanice, ktorých signál nebol v kolízii; 180

CSMA/CD III • ochrana pred kolíziou: – stanica, ktorá chce vysielať, sa dozvie o kolízii v sieti skôr, ako pošle celý rámec minimálnej veľkosti. • možné, že prekročenie zaťaženia; • jeho dôsledok: – rýchlosť siete sa výrazne zníži; – počet kolízií sa zvýši. 181

Synchronizácia • stanica pošle najprv preambulu – údaje potrebné k časovej synchronizácii • potom posiela zvyšné časti rámca – – MAC adresy komunikujúcich zariadení informácie z hlavičky rámca údaje kontrolný súčet • Ethernet < 10 Mpbs = asynchrónny – všetky stanice, ktoré prijímajú signál použijú 8 oktetov na časovanie (synchronizácia prichádzajúcich údajov) • Ethernet >= 100 Mbps = synchrónny – nevyžaduje časovacie informácie, – postačuje im len preambula a SFD. 182

Slot time • dôležitý parameter poloduplexného Ethernetu; • vypočíta sa vzhľadom na maximálnu vzdialenosť, ktorú možno dosiahnuť v čo najväčšej možnej sieťovej architektúre; • minimálny čas prenosu celého rámca musí byť menší ako jeden slot time (ľahšie odhalenie kolízie); • oznámenie o kolízii sa šíri rôznou rýchlosťou (v závislosti od siete; • čas na oboznámenie kolízie všetkým staniciam v sieti musí byť menší ako jeden slot time; 183

Bit time – slot time • bit time = čas potrebný na prenos jedného bitu; • 10 a 100 Mbps Ethernet - 512 bit times (64 oktetov); • 1000 Mbps Ethernet - 4096 bit times (512 oktetov); • rýchlejšie technológie - čas je podstatne kratší; 184

Oneskorenie • delay – čas potrebný na šírenie signálu medzi dvoma najvzdialenejšími stanicami v sieti; • latencia – oneskorenie, ktoré vzniká od momentu, keď prvé bity rámca opúšťajú vysielajúcu stanicu až po čas, keď prvá časť rámca dôjde k cieľovému zariadeniu; – charakteristická napr. aj pre repeater • delay + latencia – faktory ovplyvňujúce vznik kolízií; 185

Medzirámcova medzera • najmenší časový interval medzi dvoma nekolidujúcimi rámcami (rozostup rámcov); • od posledného bitu poľa FCS prvého rámca po prvý bit preambuly druhého rámca; • 10 Mbps - 96 bit times (9, 6 mikrosekúnd); • rýchlejší Eth - oveľa menší čas; • hodnota sa nemení, čo umožňuje posielanie rámcov aj pomalším staniciam; • pomalá synchronizácia - môže dôjsť ku strate bitov preambuly (repeater obnovuje celých 64 bitov časovacích informácii prvého poľa rámca) 186

Možné problémy • chyby v ethernetových sieťach - najčastejšie počas kolízií; • kolízia znižuje prenosový výkon siete, čím vzniká prenosové oneskorenie ; • vplýva na celú sieť; • znižuje priechodnosť siete; • kolízie, ku ktorým dôjde pred prenosom SFD, sa oznamujú vyšším vrstvám len zriedkavo; 187

Jam signal • slúži na propagáciu chyby v sieti; • vysielajúca stanica pošle 32 -bitový jam signál hneď po zistení chyby; • zosilní kolíziu; • prenos práve vysielaných údajov sa úplne preruší; • umožní staniciam v čo najkratšom čase detekovať kolíziu; 188

Kolízie I. • jednoduchá – nastane ešte pred poslaním rámca; – najbližší pokus o doručenie rámca bude úspešný; • viacnásobná – opakovane neúspešné posielanie toho istého rámca; • lokálna – v koaxiálne káble • k zrážke signálov dôjde na spoločnom médiu; • dôjde k prekrytiu vĺn, niektoré časti signálu sa vzájomne vyrovnajú, iné sa zosilnia alebo zdvoja; • zdvojený signál má väčšie napätie ako je povolená hranica, čo sa prejaví ako kolízia; – UTP káble • stanica prijíma signál na Rx v rovnakom čase ako vysiela na Tx. ; • kolízia sa zistí len v poloduplexnom prenose. 189

Kolizie II. • vzdialená – pri rámcoch kratších ako minimálna dĺžka – kontrolný súčet je nesprávny – neprejavujú sa znaky prekročenia maximálneho napätia a ani súčasný prenos na krútených pároch. – dochádza k nim na vzdialených stranách pripojenia cez repeater (prenesie len povolenú výšku napätia, nepovolí ani súčasný prenos na Rx a Tx); • neskorá – po poslaní prvých 64 oktetov; – ak by ku kolízii došlo skôr, sieťová karta je schopná opäť poslať poškodený rámec; 190

Zdroje chýb I. • dlhý rámec – rámec je dlhší ako je najväčšia povolená hodnota; • duch – šum, ktorý vzniká v kábli, vytvorí samostatný rámec s neplatným SFD; • FCS – kontrolné súčty vysielajúcej a prijímajúcej stanice sa nezhodujú; – kedy? : poškodená sieťová karta, softvér ovládačov, nesprávne nainštalovaný kabelážny systém, chybný port na hube, šum v kábloch; • chyba v zarovnávaní (alignment) – strata niekoľkých bitov rámca ( zvyčajne z konca); – napr. chýba kontrolný súčet; – kedy, ? chybný softvér ovládačov alebo pri kolíziách; 191

Zdroje chýb II. • jabber – prenos jedného rámca trvá minimálne 20 000 až 50 000 bit times; • krátky rámec – rámec je menší ako je najmenšia povolená hodnota (64 oktetov), ale kontrolný súčet je správny; • neskorá kolízia; • out of range – dĺžka rámca, uvedená v príslušnom poli rámca, presahuje prípustnú hodnotu; • range – v rámci je uvedená správna hodnota dĺžky pôvodného rámca; – skutočná veľkosť posielaného rámca je menšia, t. j. počas prenosu došlo k strate niekoľkých bitov až oktetov; • runt – posielanie rámcov s veľkosťou o niečo menšou ako je najmenšia povolená hodnota 192

Auto-negociacia I. • umožňuje komunikáciu technológií Ethernetu s rôznymi rýchlosťami prenosu; • rozhrania pomocou funkcie auto-negotiation automaticky zmenia svoju konfiguráciu • neprebehne ak jedno rozhranie pracuje s optickými signálmi a druhé s elektronickými; – dôvod: náročná zmena v konfigurácii portov; 193

Auto-negociacia II. • najskôr sa vyšle testovací signál, spojový pulz, ktorým zistia možnosti prenosu svojho komunikačného partnera; • nastavia najväčšiu možnú rýchlosť prenosu, prípadne zmenia aj komunikačný mód (na poloduplexný alebo plne duplexný); • pri prerušení komunikácie sa preruší aj spojenie medzi stanicami; • obe strany prenosu sa pokúsia o opätovné spojenie na poslednej dohodnutej rýchlosti; • pri zlyhaní alebo dlhodobom prerušení spojenia - dohoda o najvyššej možnej rýchlosti prenosu začne od začiatku; 194

195