PS 8 LOKÁLNÍ SÍTĚ LAN Osnova
ÚVOD 1. Drátové LAN 1.1 Topologie LAN 1.2 Přenosová média LAN 1.3 Metody řízení přístupu k síti CSMA/CD Řízení tokenem Kruhová síť řízená časovými úseky
1.4 Normy LAN
2. Typy drátových LAN 2.1 Sběrnicová síť s řízením CSMA/CD Formát rámce a provozní parametry Přenos rámce
Příjem rámce
ÚVOD Lokální sítě slouží ke spojení distribuované množiny koncových zařízení přenosu dat počítačového charakteru v rámci jedné budovy nebo ke spojení lokalizované skupiny budov. Lokální sítě se dají například použít k propojení pracovních stanic v kancelářích jedné budova nebo skupiny budov, k jakým například patří komplexy univerzitních, továrních nebo nemocničních budov. Protože veškerá technologie patří zpravidla jedné instituci, tak lokální sítě jsou běžně instalovány a udržovány takovou institucí. Proto jsou takové datové sítě považovány za soukromé. 1
Hlavní rozdíl mezi spoji sítí LAN a spoji veřejné datové sítě spočívá obvykle v mnohem vyšší přenosové rychlosti díky poměrně malé fyzické vzdálenosti DTEs. V této souvislosti připomeňme, že referenční model ISO tento rozdíl respektuje jen v nejnižších síťově závislých vrstvách. V mnoha případech obou typů sítí jsou protokoly vyšších vrstev referenčního modelu stejné. Proto budeme další popis věnován různým typům LAN a funkcím protokolů příslušných síťově závislých vrstev. Existují dva zcela rozdílné typy LAN:drátové LAN a bezdrátové LAN. Z názvů vyplývá, že drátové LAN používají jako přenosové médium (pevné) metalické okruhy – kabely s kroucenými páry nebo koaxiální kabely–, zatím co bezdrátové LAN rádiové nebo vzdušné optické přenosy. Protože výběr a technologie obou typů se velmi liší, tak každý z nich popíšeme samostatně.
1. Drátové LAN Dříve než popíšeme strukturu a provoz různých typů drátových LAN, tak nejprve specifikujme některé vybrané problémy, které musíme vzít v úvahu. Přehled těchto problémů je uveden v obr.1. Musíme si uvědomit, že se jedná jen o hrubý přehled, protože základní větve grafu se mohou dělit mnohem jemněji. Některé detaily objasníme samostatně.
1.1 Topologie LAN Většina sítí WAN k nimž například patří i PSTN používá smíšenou síťovou topologii. Ale protože fyzická vzdálenost DTE účastníků je u LANů omezená, tak se dá použít jednodušší topologie. Ke čtyřem běžným topologiím z obr.2 patří: hvězda (star), sběrnice (bus), kruh (ring) a centr (hub).
2
Obr.1 Vybrané problémy LAN 3
Obr.2 Topologie LAN: (a) hvězda;(b) kruh;(c) sběrnice;(d) nejlepšíhub/strom 4
Snad za nejlepší příklad hvězdicové topologie LAN může sloužit struktura se soukromou automatickou pobočkovou ústřednou (private automatic branch exchange-PABX). Spojení realizovaná v tradiční analogové PABX se velmi podobají spojením v analogové PSTN, protože všechna spojení procházející touto sítí slouží pro přenos omezené šíře pásma analogového hovorového signálu. Proto taková spojení vyžadují pro přenos dat modemy. Ale protože většina moderních PABX používá digitální spojovací techniku, tak se tyto ústředny označují zkratkou PDX (private digital exchange). Protože pro realizaci nezbytných analogově digitálních a digitálně analogových transformací se používají dostupné laciné integrované obvody, tak se digitální způsob provozu stává rychle běžnou záležitostí účastnických přípojek. To tedy znamená, že 64 kbps digitalizované komutované spojení, které normálně končí v účastnické přípojce a je zpoplatňováno pro digitalizovanou řeč, může sloužit nejen pro telefonní, ale i pro datový provoz. Nicméně hlavním úkolem PDX je kromě zajištění normálního komutovaného spojení pro telefonní provoz i zajištění komutovaného spojení pro integrovaný telefonní a datový provoz lokální komunity terminálů zahrnující elektronickou poštu, výměnu dokumentů apod. Digitální technika PDX zajišťuje i paměťový tranzit hovorů a telekonference. Preferovanou topologií LAN pro komunikaci lokálních počítačově orientovaných zařízení je sběrnicová a kruhová topologie. Sítě se sběrnicovým uspořádáním se v praxi normálně realizují spojením několika sítí podobného typu, takže v podstatě připomínají rozvětvený strom (uprooted tree).
5
Ve sběrnicové topologii prochází lokalitou s DTE jediný kabel, který má fyzicky vyvedené odbočky. Aby připojená komunita DTE mohla sdílet dostupnou šířku přenosového pásma, tak má k dispozici vhodné obvody a algoritmy (MAC-medium access kontrol) zajišťující přístup k službám poskytovaným sítí. U kruhové topologie síťový kabel prochází jednotlivými DTE takovým způsobem, že utvoří uzavřenou smyčku. Vlastnost kruhové topologie spočívá v tom, že sousední DTE jsou propojeny dvoubodovými (poin-to-point) spoji, které umožňují pouze jednosměrný provoz. Sdílení kruhové sítě komunitou připojených DTE umožňuje vhodný algoritmus MAC. Kruhové a sběrnicové topologie s přenosovými rychlostmi od 1 do 10 Mbps se nejlépe hodí pro spojení lokálních komunit počítačově orientovaných zařízení, k jakým například patří pracovní stanice kanceláří nebo inteligentní řadiče výrobních závodů. Variantou sběrnicové a kruhové topologie je hub topologie z obr.2(d). I když topologie těchto sítí se podobá hvězdici, tak kabeláž hub topologie se podobá kabeláži sběrnicové nebo kruhové topologie s tím rozdílem, že je připojena k hub jednotce. Kabely použité pro spojení každé DTE se sběrnicovou nebo kruhovou strukturou se potom prodlužují od hub jednotky. Na rozdíl od PDX hub jednotka neprovádí spojování, ale pouze svými opakovači předává všechny přijaté signály od jedné DTS ke všem ostatním DTS stejným způsobem, jako v síti se sběrnicovou nebo kruhovou strukturou. Hub jednotky lze propojit hierarchickým způsobem, čímž vznikne stromová topologie. Kombinovaná topologie opět funguje jako jediná kruhová nebo sběrnicová síť, nebo jako vzájemně propojená soustava takových sítí. 6
1.2 Přenosová média K hlavním typům přenosových médií LAN patří kroucené páry, koaxiální kabely a optická vlákna. Kroucené páry (stíněné i nestíněné) se používají především ve hvězdicových a centralizovaných sítích. Protože jejich instalace je méně náročná než v případě koaxiálních nebo optických kabelů, tak se jim dává přednost. Je to také proto, že většina kancelářských pracovišť má k dispozici kabelové šachty sloužící pro telefonní rozvody, které se dají s poměrně malými náklady využít i pro pokládku kroucených párů pro přenos dat. Instalace nových tras pro koaxiální a optické kabely by stála mnohem víc. Obecnou představu pomáhá vytvořit obr.3(a). Maximální délka kabelů s kroucenými páry závisí na použité přenosové rychlosti. Typickou mez představuje vzdálenost 100 m a přenosová rychlost 1 Mbps, nebo s použitím speciálních obvodů pro potlačení přeslechu na vzdáleném konci vzdálenost 100 m a přenosová rychlost 10 Mbps. Spojení mezi každou DTE a nejbližším kabelovým rozvodem na patře se realizuje krouceným párem a spojení patrových rozvodů s hlavním hub budovy koaxiálním kabelem. Pro spojení hubu každé budovy s hlavní hubem se používá optický kabel. Optický kabel normálně slouží pro vyšší přenosovou rychlost a jeho logická konfigurace představuje kruhovou síť. Takové uspořádání je často označováno jako strukturovaná kabeláž. Koaxiální kabel se také hojně využívá především v LAN sítích se sběrnicovou topologií a to buď pro základní přenos nebo pro širokopásmový přenos. Pro základní přenos slouží dva typy kabelů: tenký kabel a silný kabel.
7
Tato označení se týkají průměru kabelů: tenký kabel s průměrem 0,25 palců a silný kabel s průměrem 0,5 palců.
Obr.3 Přenosová média: (a) kroucený pár;(b) koaxiální kabel základního pásma 8
Oba typy kabelů slouží běžně pro rychlost přenosu 10 Mbps, ale kabel s menším průměrem má větší útlum:vzdálenost opakovačů u tenčího kabelu je 200m a u silného kabelu 500m. V dané souvislosti připomeňme, že opakovač obnovuje původní tvar přijatého signálu. Provozní režimy tenkého a silného kabelu jsou označovány symboly 10 Base 2 a 10 Base 5. Tenký koaxiální kabel se často používá pro spojení pracovních stanic stejné kanceláře nebo laboratoře. Fyzické řešení konektoru koaxiálního kabelu umožňuje přímé připojení k obvodu rozhraní pracovní stanice. Kabelová sběrnice prochází od jedné DTE k další DTE v uzavřeném cyklu. Naproti tomu se silný koaxiální kabel vzhledem ke své pevnější struktuře normálně klade ve větší vzdálenosti od pracovních stanic, například podél chodby. Ke spojení hlavní odbočky koaxiálního kabelu s přípojným bodem (jednotkou připojovacího rozhraní AUI) každé pracovní stanice slouží zvláštní odbočovací kabel (drop cable) a přijímací a vysílací elektronika (transceiver). Toto řešení je mnohem nákladnější a proto slouží především ke spojení pracovních stanic různých kanceláří nebo k propojení sekcí s tenkou kabeláží. Obě řešení ilustruje obr.3(b). Při širokopásmovém přenosu je přenosová kapacita kabelu rozdělena na řadu užších kmitočtových pásem resp. subkanálů. K vyčlenění samostatných datových subkanálů technikou kmitočtového multiplexu slouží speciální rádiové modemy. Širokopásmové využití koaxiálního kabelu slouží také k multiplexování TV programů (CATV-community antenna television). Typický CATV systém znázorňuje obr.4(a).
9
Obr.4 Širokopásmové koaxiální kabelové systémy: (a) systémové bloky CATV (b)alternativy datové sítě (c) využití kmitočtového pásma 10
Každý TV kanál má přiděleno samostatné kmitočtové pásmo s typickou šíří 6 MHz. Přijaté video signály z různých anténních systémů modulují nosné kmitočty zvolených kmitočtových pásem. Signály vytvořené modulací nosných kmitočtů jsou přeneseny sítí na vstup zařízení jednotlivých účastníků. Každý účastník si potom zvolí TV kanál vyladěním příslušného kmitočtu. Stejným způsobem se dá realizovat na jediném kabelu řada datových subkanálů, přičemž potřebnou šíři pásma určuje požadovaná přenosová rychlost. Ale pro datovou komunikaci se normálně vyžaduje duplexní provoz. K tomu slouží dva systémy: (1) Systém s jedním kabelem. Na jednom kabelu se vytvoří dvě různá kmitočtová pásma, z nichž jedno slouží pro vysílací směr a druhé pro přijímací směr. (2) Systém se dvěma kabely. Jeden kabel slouží pro vysílací směr a druhý pro přijímací směr. Schématické znázornění obou systémů představuje obr.4(b). Hlavní rozdíl mezi těmito dvěma systémy spočívá v tom, že systém se dvěma kabely vyžaduje dvojnásobnou délku kabelů a instalaci dvojnásobného počtu kabelových odboček. Tento systém zajišťuje pro každý směr přenosu typickou šíři pásma od 5 do 450 MHz a jako zakončovaní zařízení (headend – HE) používá jednoduchý zesilovač. Systém s jedním kabelem používá kmitočtový translátor pro translaci kmitočtových pásem určených pro přijímací a vysílací směry. Nosný kmitočet pásma zvoleného pro opačný směr je nejprve v rf modemu modulován daty určenými pro přenos do frekvenčního translátoru. Modulovaný signál je zaveden do kabelu speciálním vazebním členem, který je navržen tak, aby velká část vysílaného modulovaného signálu mířila opačně k translátoru na konci kabelu. 11
Frekvenční translátor potom provede konverzi signálů přijatých v různých přijímacích pásmech do příslušné množiny kmitočtových pásem určených k přenosu v opačném směru. Přijatý modulovaný signál je tedy v zařízení headend (HE) kmitočtově přesunut a rf modem připojený k přijímacímu DTE je naladěn pro příjem signálu v kmitočtově přesunutém pásmu. Přenesená data jsou z přijatého signálu modemem demodulována a předána připojenému DTE. Z výkladu lze usoudit, že jediný pár kmitočtů může mezi dvěma DTE vytvořit pouze simplexní (jednosměrný) datový spoj. To tedy znamená, že pro duplexní komunikaci budou nutné dva samostatné páry nosných kmitočtů. Avšak 9,6 kbps simplexní datový kanál nárokuje z celkově dostupné šíře pásma pouze řádově 20 kHz, takže pár 6MHz subfrekvenčních pásem může umožnit vytvoření 300 takových simplexních kanálů nebo 150 duplexních kanálů. Rychlejší datové kanály budou z dostupného pásma nárokovat úměrně vyšší díl, takže například k vytvoření plně duplexního spoje pro rychlost přenosu 5Mbps budeme potřebovat dvě 6 MHz pásma a pro plně duplexní spoj s rychlostí 10 Mbps tři 6MHz pásma. Cena, kterou platíme za realizaci mnoha různých kanálů na jediném kabelu je poměrně vysoká a je určena poměrně velkou cenou každého páru rf modemů. Nicméně širokopásmový koaxiální kabel může být použit pro překlenutí mnohem větších vzdáleností, než kabel provozovaný v základním pásmu. Proto primární použití širokopásmového koaxiálního kabelu může reprezentovat flexibilní přenosové médium pro výrobní průmysl nebo pro instituce zahrnující mnoho budov, zejména v případě rozptýlení budov až do vzdálenosti nad 10 kilometrů.
12
Využití koaxiálního kabelu pro datové účely může sloužit i pro integraci jiných služeb, například pro uzavřené TV a hlasové přenosy. Takže širokopásmové využití představuje rentabilní alternativu pro poskytování řady služeb v základním pásmu. Skleněná nebo plastová optická vlákna mohou umožnit přenos mnohem většími rychlostmi, než kabely s kroucenými páry nebo kabely koaxiální. Protože přenos dat je realizován světelným svazkem, tak signál není rušen elektromagnetickými interferencemi. Takže optické vlákno se lépe hodí pro aplikace, které buďto nárokují velmi vysoké přenosové rychlosti nebo vysoký stupeň imunity proti elektromagnetickým interferencím vyvolaným činností výkonných elektrických spotřebičů. Protože vlákna nevyzařují elektromagnetickou energii snímatelnou potenciálními narušiteli, tak mohou sloužit pro aplikace vyžadující vysokou míru bezpečnosti. Protože data se přenášejí světelným svazkem, tak se pro jejich vysílání a příjem musí použít speciální měniče signálů. Konektory pro spojování optických vláken jsou mnohem dražší, než pro spojování kroucených párů nebo koaxiálních kabelů a také jsou mnohem dražší i odbočky z optických kabelů. Z těchto důvodů proto optické kabely používáme v konfiguracích s hub jednotkami, nebo ve velmi rychlých kruhových sítích a jiných sítích vyžadujících spojení mezi dvěma koncovými body (pointto-point). Dva příklady řešení sítí s jedním nebo dvěma kabely mohou být řešeny i pomocí optiky označované jako optické rozhraní pro distribuci dat (fiber distributed data interface FDDI) a sítěmi se zdvojenou sběrnicí a s distribuovaným čekáním (distributed-queue dual-busDQDE).
13
1.3 Metody řízení přístupu k síti Při vytváření komutovaného spojení mezi dvěma DTE v hvězdicové sítí centrální řídící sytém (například soukromá digitální ústředna) zajistí, aby přenosová cesta mezi dvěma DTE sloužila účastníkům pro celou dobu trvání relace. Ale v kruhové a sběrnicové topologii existuje pro spojení všech DTE pouze jediná logická spojovací cesta. To tedy znamená, že všechny DTE připojené k takové síti musí dodržovat určitý režim zajišťující přístup k síti ve správném pořadí. Různé normy proto přijaly dvě techniky řízení přístupu, z nichž jedna zajišťuje mnohonásobný přístup ke sběrnicové síti s detekcí kolize CSMA/CD) a druhá mnohonásobný přístup ke sběrnicové a kruhové síti pomocí speciálního znaku zvaného token. Řízení přístupu ke kruhovým sítím na bázi časových úseků (slots) se také široce používá.
CSMA/CD Metoda CSMA/CD je výhradně používána v sítích se sběrnicovou topologií. V sítích se sběrnicovou topologií jsou všechna DTE připojena ke stejnému kabelu, který sklouži pro přenos dat mezi jakýmkoliv párem DTE. O takovém kabelu se říká, že pracuje v režimu mnohonásobného přístupu (MA). Při přenosu dat musí vysílající DTE nejprve vložit data do rámce s označením adresy požadované DTE v záhlaví rámce. Rámec je potom vyslán do kabelu oběžníkovým způsobem.Všechny DTE připojené ke kabelu detekují každý rámec přenášený kabelem. Jakmile vyžádaná DTE detekuje odeslaný rámec s vlastní adresou, tak pokračuje ve čtení dat rámce a odpoví definovaným linkovým protokolem. Adresa zdrojové DTE je součástí záhlaví doručeného rámce, takže přijímající DTE může odpovědět DTE, která zprávu vytvořila. 14
Při tomto způsobu provozu se může stát, že dvě DTE současně vyšlou rámec do kabelu, takže dojde narušení dat odeslaných ze dvou zdrojů. Pro potlačení takové situace zdrojová DTE před odesláním rámce nejprve elektronicky monitoruje kabel, aby zjistila případný současně přenášený rámec. Pokud DTE zjistí na kabelu nosný signál (CS), tak vlastní přenos odloží až do doby, než skonči přenos právě procházejícího rámce a teprve potom se pokusí vyslat vlastní rámec. Dokonce se může stát že dvě DTE nezjistí momentálně žádnou aktivitu na kabelu a začnou odesílat své rámce. To se sice může stát s ohledem na určitou sobu šíření signálů takže dojede ke kolizi a k narušení obou rámců.Takový případ zachycuje obr.5.
Obr.5 Schématické znázornění kolize u CSMA/CD 15
Obě DTE při vysílání svých rámců současně monitorují datový signál kabelu. Začnou-li se monitorované signály lišit, tak se pozná, že došlo ke kolizi (collision detectedCD). K ostatní DTE(s) zúčastněné v kolizi byly s jistotou informovány, že došlo ke kolizi, tak první DTE zesílí účinek kolize krátkodobým vysláním náhodné bitové struktury. Tato struktura představuje záměrně rušivou posloupnost (jam sequence). Dvě nebo několik dalších zainteresovaných DTE se po několika krátkých náhodných časových intervalech pokusí znovu přenést narušené rámce. Dá se proto usoudit, že přístup ke sběrnici s CSMA/CD řízením má pravděpodobnostní charakter a je ovlivněn zatížením (kabelu) sítě. Poznamenejme, že velká přenosová rychlost v kabelu (nad 10Mbps) vede k malému zatížení sítě a protože přenos rámce se inicializuje pouze tehdy, když je kabel bez aktivity, tak pravděpodobnost vzniku kolize je prakticky velmi malá.
Řízení tokenem Jiný způsob řízení přístupu ke sdílenému médiu se realizuje (odsouhlasenou) rozlišitelnou jednotkou, které se říká token. Token se předává od jedné DTE k druhé v souladu s definovanou množinou pravidel. Tato pravidla musí respektovat všechna DTE připojená k médiu. DTE smí odeslat rámec pouze tehdy, vlastní-li tóken a po odeslání rámce token pošle dál, aby další DTE mohlo získat přístup k médiu. Pořadí operací je následující: • Nejprve se vytvoří logický kruh, který prochází všemy DTE připojenými k fyzickému médiu a pak se vygeneruje jediný řídící tóken. • Tóken koluje od DTE k DTE logickým kruhem až jej zachytí DTE, které čeká(jí) na odeslání rámce(ů).
16
• Čekající DTE potom odešle čekající rámec (rámce) fyzickým médiem a předá řídící tóken sousední DTE v logickém kruhu. Monitorovací funkce aktivních DTE připojených k fyzickému médiu představuje základnu pro inicializaci a obnovu nejen logického kruhu, ale i obnovu ztraceného tókenu. I když monitorovací funkci normálně opakovaně přebírají všechny DTE připojené k médiu, tak v daném okamžiku pouze jedna DTE je zodpovědná za obnovu a novou inicializaci. Fyzické médium nemusí tvořit kruhovou topologii; token může řídit přístup i do sběrnicové sítě. Utvoření logického kruhu ve dvou typech sítí je znázorněno v obr.6.
Obr.6 MAC s tókenem: (a) kruh s tokenem;(b) sběrnice s tokenem 17
U fyzické kruhové topologie (obr.6(a)) souhlasí logický kruh pro předávání tokenu s fyzickou realizací. Předávání tokenu tedy probíhá ve stejném pořadí, v jakém jsou řazeny DTE kruhové sítě. Ale u sběrnicové sítě (obr.6(b)) nemusí být uspořádání logického kruhu shodné s fyzickým připojením DTE ke kabelu. Kromě toho u tokenového řízení přístupu do sběrnicové sítě nemusí být všechny DTE součástí logického kruhu. Například v obr.6(b) není DTE s označením H součástí logického kruhu. To znamená, že DTE označené jako H může pouze pracovat v přijímacím režimu, neboť nikdy nebude moci vlastnit řídící token. Další vlastností metody řízení přístupu pomocí tokenu jsou priority, která umožní přenášet rámce s vyšší prioritou dříve než rámce s nižší prioritou. Popis dalších aspektů metody řízení přístupu tokenem bude popsán v 2.2 a v 2.3.
Kruhová síť s časovými úseky (slotted ring) Řízení přístupu pomocí časových úseků je určeno především pro kruhové sítě. Kruhovou síť nejprve inicializuje speciální uzel (monitor) vložením konstantní posloupnosti bitů. Tato posloupnost neustále koluje kruhem od jedné DTE k druhé. Příjem každého bitu stanicí DTE je vyhodnocen jejím rozhraním a s opakováním předán sousední stanici DTE kruhu atd. Monitor si ověřuje, aby kruhem cirkuloval vždycky konstantní počet bitů bez ohledu na počet DTE v kruhu. Celý kruh je organizován tak, aby zahrnoval pevný počet časových úseků, z nichž každý je vyplněn skupinou bitů schopnou přenést jeden rámec informace konstantní velikosti. Přidělení bitů v časovém úseku znázorňuje obr.7(a).
18
Obr.7. Princip kruhu s časovými úseky: (a)bitový obsah každého úseku;(b)náčrt topologie Na počátku monitor uvede full/emty bit v záhlaví každého časového úseku do stavu emty (prázný). Bude-li DTE chtít odeslat rámec, tak musí čekat tak dlouho, dokud nezjistí příchod prázdného časového úseku. DTE potom označí časový úsek jako plný a pokračuje vložením obsahu rámce s adresami DTE příjemce a DTE zdroje v záhlaví. Oba bity odpovědi na konci rámce uvede do stavu 1. Časový úsek s tímto obsahem potom koluje fyzickým kruhem od jednoho DTE ke druhému. Každé DTE kruhu prověří adresu příjemce v záhlaví každého časového úseku 19
s označením full (plný) a v případě zjištění vlastní adresy a s ověřením toho, že rámec má být akceptován, přečte obsah rámce. Zároveň ve stejném okamžiku opakuje bez modifikace obsahy rámců kolujících kruhem. Po přečtení obsahu rámce cílová DTE modifikuje dvojici bitů odpovědi na konci časového úseku, čímž potvrdí, že přečetla obsah rámce nebo alternativně, v případě obsazení nebo neoperativnosti cílové stanice, jsou bity označeny vhodným způsobem nebo zůstanou nezměněny (neoperativnost). Zdrojová DTE po inicializaci přenosu rámce čeká na oběh tohoto rámce kruhem odpočítáváním (konstantního počtu) časových úseků, udržovaných rozhraním kruhu. Po přijetí prvního bitu časového úseku označujícího možnost odeslání rámce, tato DTE označí časový úsek ještě jednou jako full (plný) a čeká na přečtení bitů odezvy v závěru úseku, která určí další pořadí akcí. Passed bitem monitor detekuje situaci, zda DTE uvolnilo časový úsek po odeslání rámce. Tento bit je resetován zdrojovou DTE po odeslání rámce kruhem. Monitor při opakování každého plného časového úseku rozhraním postupně uvádí passed bity do stavu „on“. Jestliže monitor zjistí při opakování plného časového úseku passed bit v nezměněném stavu, tedy ve stavu „on“, tak usoudí, že zdrojová DTE nesplnila svoji povinnost a neoznačila časový úsek jako prázdný. Proto na začátku časového úseku obnoví původní stav (reset) passed bitu. Je třeba poznamenat, že při řízení přístupu k médiu pomocí časových úseků může každá DTE v daném okamžiku přepravit jen jeden rámec kruhovou sítí. Rovněž musí DTE uvolnit časový úsek použitý pro přenos rámce před tím, než se pokusí odeslat další rámec. V takovém případě budou moci síť sdílet i další DTE. 20
K hlavním nevýhodám řízení přístupu pomocí časových úseků patří: (1) Speciální (a tudíž zranitelný) monitorující uzel nutný k udržování základní kruhové struktury. (2) Několik časových úseků pro přenos každého kompletního rámce na úrovni spojové vrstvy. Nicméně jakmile v síti řízené tokenem DTE získá token, tak může odeslat kompletní mnohabitový rámec jednorázově.
1.3 Normy Koncem 70tých a začátkem 80tých let minulého stolení bylo navrženo a implementováno mnoho různých typů sítí LAN. Přestože se tyto sítě sobě velmi podobaly, tak mohly propojovat pouze počítače nebo pracovní stanice svých dodavatelů. Tyto sítě byly tak zvaně uzavřené. Ke zmírnění této situace některé národní normalizační orgány inicializovaly pro sítě LAN tvorbu norem. Hlavním nositelem těchto aktivit bylo IEEE, které formulovalo normy řady 802. Tyto normy adoptovala organizace ISO pro mezinárodní použití. Nicméně dnešní době nezná jen jeden typ drátových sítí LAN. Spíše jich je celá řada a každý prvek této řady má vlastní topologii, MAC metodu a vlastní aplikační sféru.
2. Typy drátových LAN Pro vzájemné spojení místních komunit zařízení počítačového charakteru byly vyvinuty dva dominantní typy drátových LAN, se sběrnicovou topologií a s topologií kruhovou. V současné době se ale setkáváme s řadou variant obou typů i když mnohé z nich neodpovídají mezinárodním normám. Ke třem normalizovaným typům řízení přístupu k médiu patří sběrnicová síť s CSMA/CD, kruhová síť s tokenem a sběrnicová síť s tokenem. 21
2.1 Sběrnicová síť s řízením CSMA/CD Sběrnicová topologie sítí s CSMA/CD řízením přístupu je extenzivně využívána v technickém a administrativním prostředí. Z historických důvodů se síti se sběrnicovou strukturou a CSMA/CD řízením říká ETHERNET. Běžně se takové sítě realizují buď na bázi koaxiálních kabelů pro přenosy rychlostí 10 Mbps v základním pásmu, nebo na bázi kabelů s krocenými páry pro rychlosti 10 Mbps, i když další kabelová média jsou normami rovněž podporována. Tato média zahrnují: 10 Base 2 Tenký koaxiální kabel (průměr 0,25 palce) v 200m výrobních délkách 10 Base 5 Silný koaxiální kabel (průměr 0,5 palce) v 500 m výrobních délkách 10 Base T Odbočovací kabel s kroucenými páry pro HUB (hvězdicové) topologie 10 Base F Kabely s optickými vlákny pro HUB (hvězdicové) topologie I když sítě LAN se budují pomocí různých přenosových médií, tak všechna tato média používají stejnou metodu řízení přístupu (MAC-Medium Access Control). Hlavní rozdíl mezi tenkým a silným koaxiálním kabelem spočívá v odlišném umístění kombinované vysílací a přijímací elektroniky (transceiver electronics). U silného kabelu se tato elektronika vkládá do integrované kabelové koncovky (integrated tap and transceiver unit). Tenký koaxiální kabel se přímo připojuje k desce plošných spojů rozhraní v DTE a tak se kombinovaná vysílací a přijímací elektronika instaluje přímo na této desce. Sítě s tenkými koaxiálními kabely představují laciné řešení (cheapernets), protože jejich instalace díky nižší ceně kabelových rozvodů je poměrně levná. 22
V obr.8 jsou uvedeny různé stavební prvky konfigurací realizovaných pomocí silných koaxiálních kabelů. Kabelová koncovka je realizována tak, aby se fyzické napojování kabelu dalo provádět bez seříznutí. K tomu slouží šroubový mechanizmus, který zajistí kontakt se středním vodičem a vodivým pláštěm tak, aby nedošlo k nežádoucímu zkratu. Kombinovaná elektronika vysílače a přijímače (transceiveru) plní následující funkce: • Vysílá a přijímá data do kabelu a z kabelu • Detekuje kolize na kabelovém médiu • Elektricky izoluje koaxiální kabel a elektroniku kabelového rozhraní • Chrání kabel před poruchou kombinované vysílací a přijímací elektroniky nebo před poruchou DTE Poslední funkce slouží k potlačení chaotického nepřetržitého vysílání náhodných (jabber) dat do kabelového média při poruše kombinované vysílací a přijímací elektroniky nebo poruše DTE, která může potlačit resp. narušit všechny další přenosy. Kontrola nežádoucího chaotického vysílání přeruší při překročení určitého časového limitu vysílání dat od kabelu. Délka všech rámců přenášených kabelem je totiž omezená. Při jejím překročení kontrola potlačí další vysílání dat do kabelu. Vysílací a přijímací elektronika (transceiver) je spojena s hostitelskou DTE stíněným kabelem s pěti páry kroucených vodičů:jeden pár pro napájení transceiveru z DTE, dva páry pro data (jeden vysílací a jeden přijímací) a dva páry pro řízení (jeden pro signalizaci kolize z transceiveru do DTE a druhý pro inicializaci blokování datového přenosu z DTE do kabelu). Čtyři páry pro vedení signálu mají různý zkrut, takže vzdálenost DTE od transceiveru může být až 50 m. 23
Obr.8 Stavební prvky sběrnicových sítí se silnými kabely a CSMA/CD řízením: (a) kabelové uspořádání;DTE rozhraní; (c) Schéma transceiveru 24
U kabelů s kroucenými páry a u HUB konfigurace stejně jako u slabých koaxiálních kabelů je detekce kolizí řešena elektronikou plošné desky rozhraní DTE. HUB slouží čistě jako spolehlivý přijímač a opakovač přenášených elektrických signálů. Konfigurace HUBu a elektroniky opakovače je uvedena v obr.9. Z obr.9 je patrné, že každá DTE je HUBem spojena dvěma kroucenými páry (nebo optickým vláknem)-jeden pár pro vysílání a druhý pár pro příjem. Aby elektronika pro detekci kolizí mohla v DTE fungovat, tak elektronika opakovače HUBu znovu vysílá přijatý signál z přijímacího páru do ostatních výstupních párů. Elektronika opakovače především slouží k tomu, aby zesílený opakovaný signál z výstupních párů neinterferoval se slabým tlumeným přijímaným signálem na vstupním páru. Jedná se tedy o potlačení přeslechu na blízkém konci (NEXT). Proto musí spolehlivý přenos na vzdálenost 100 m rychlostí 10 Mbps zajistit speciální obvody pro adaptivní potlačení přeslechu. Bez ohledu na použité přenosové médium je v desce komunikačního řadiče DTE obsažena: • Jednotka MAC pro vkládání a odstraňování rámců přenášených kabelem, pro detekci chyb a implementaci MAC algoritmu. • RAM se zdvojeným portem umožňující jednotce MAC přijímat a vysílat rámce nejvyšší přenosovou rychlostí spoje a hostitelskému počítači umožnit čtení/zápis informačního obsahu rámců. Úplný komunikační subsystém se normálně realizuje jako samostatný obvod na jedné desce tištěných spojů, která se zasunuje do sběrnice hostitelského systému a která standardními programy pro přenos a příjem rámců poskytuje službu hostitelskému SW. Většina desek tištěných obvodů má několik konektorů pro různá média. 25
Obr. 9 Principy konfigurace HUBu: (a) topologie; (b) schéma opakovače 26
Formát rámce a parametry provozu Formát rámce a parametry provozu typické sběrnicové sítě s CSMA/CD řízením uvádí obr.10. Význam a použití různých parametrů bude popsán při prezentaci MAC.
Obr.10 Charakter sběrnicové sítě s CSMA/CD řízením: (a) formát rámce; (b) provozní parametry
27
Každý rámec přenášený kabelem má osm polí. Všechna pole mají stejnou délku s výjimkou datového pole a pole pro výplň. Na začátku každého rámce se vysílá úvodní synchronizační skupina (preambule field). Její funkce spočívá v zajištění spolehlivé bitové synchronizace přijímací elektroniky každé jednotky MAC před příjmem vlastního obsahu rámce. Struktura úvodní synchronizační skupiny (preambule) zahrnuje sedm oktetů, z nichž každý je tvořen binární posloupností 10101010. Všechny rámce přenášené kabelem jsou kódovány jako Manchester. Úvodní synchronizační skupina se v přijímací elektronice každého DTE chová jako periodický harmonický signál. Omezovač v začátku rámce SFD (start of frame delimiter) je samostatný oktet 10101011, který bezprostředně následuje za úvodní synchronizační skupinou a oznamuje přijímači začátek platného rámce. Cílová (destnation) a zdrojová (source) adresa specifikuje cílovou (cílové) DTE a zdrojovou DTE sítě. První bit cílové adresy představuje individuální adresu nebo skupinovou adresu. Bude-li specifikována individuální adresa, pak přenášený rámec se dostane do jediné cílové DTE. Bude-li ale specifikována skupinová adresa, pak se přenášený rámec dostane buď ke skupině logicky připojených DTEs (skupinvá adresa), nebo ke všem DTEs připojeným k síti (vysílací nebo globální adresa –broadcast nebo global address). V posledním případě tvoří adresové pole samé jedničky. Pole délkového indikátoru (length indicator) obsahuje dva oktety pro určení počtu osmibitových slabik datového pole. Bude-li tento počet menší než minimální počet požadovaný pro platný rámec (minimální délka rámce), pak se přidá posloupnost oktetů označovaná jako výplň (padding). Nakonec se připojí pole FCS se čtyřmi oktety (32 bity) CRC pro kontrolu chybovosti. 28
Přenos rámce Obsahy rámců určených k přenosu se nejprve MAC jednotkou uloží do formátu znázorněného v obr.10(a). Aby se zabránilo kolizi s jinými přenosy na sdíleném médiu, tak část MAC jednotky nejprve monitoruje přítomnost nosného signálu a v případě nutnosti na okamžik odloží předání každého rámce. Po krátkém dodatečném zpoždění (odpovídajícím mezeře mezi rámciinterframe gap), které umožní příjem a zpracování procházejícího rámce s adresou DTE příjemce (ů) je přenos rámce znovu obnoven. Při vysílání bitové posloupnosti vysílač současně monitoruje přijímaný signál, aby zjistil, zda nedochází ke kolizi. Jestli-že kolize není detekována, tak se celý rámec odešle a po odeslání pole s FCS začne jednotka NAC čekat na příchod dalšího rámce buď z přenosového média (kabelu), nebo z řídícího mikroprocesoru. Při detekování kolize se transceiver ihned přepne do stavu „signál kolize detekován“. Tento stav je detekován jednotkou MAC, která zesílí kolizi vysíláním rušivé posloupnosti (jam sequence). Toto opatření představuje záruku, že všichni účastníci kolize (DTE) zaregistrují tento stav. Po odvysílání rušivé posloupnosti MAC jednotka ukončí přenos rámce a po krátkém náhodně zvoleném časovém intervalu se pokusí opakovat přenos. Pokud bude kolize trvat, tak se pokus o nový přenos bude několikrát opakovat (atetempt limit). Ale několikanásobné opakování naznačuje, že je médium přetíženo a v takovém případě jednotka MAC bude pokusy opakovat v prodloužených intervalech. Plánované opakování je řízeno procesem označovaným v anglosaské literatuře termínem truncated bojary exponencial backoff.
29
Tento proces funguje následovně. Jakmile skončí vysílání rušivé posloupnosti a za předpokladu, že počet opakování nepřekročil povolený limit, tak jednotka MAC před opakováním narušeného rámce zruší zaregistrovaný počet opakování a zavede nový delší interval mezi pokusy o nové opakování. Jak naznačuje obr.5, tak příslušná DTE může na počátku svého přenosu odhadnout okno kolize (collision window), jehož velikost odpovídá dvojnásobku doby šíření prvého bitu úvodní synchronizační skupiny do všech částí kabelové sítě. Velikost časového okna tedy představuje největší časové zpoždění a DTE musí počkat, až bude moci spolehlivě zaregistrovat kolizi. Odpovídající časový interval je tedy definován jako: Časový interval = 2 × (doba šíření médiem) + rezerva Doba šíření médiem představuje nejhorší případ šíření signálu mezi všemi vysílači a přijímači kabelové sítě. Doba šíření zahrnuje i zpoždění vyvolaná opakovači. Časový interval je dvojnásobkem doby šíření (aby se zkomolený signál mohl šířit zpět k vysílající DTE) plus bezpečnostní rezerva. Použitý časový interval odpovídá výše uvedené hodnotě, ale zaokrouhlené směrem nahoru, aby odpovídal násobku oktetů při dané rychlosti přenosu. Například u koaxiální sítě s 10 Mbps přenosem v základním pásmu a maximální vzdálenosti mezi jakýmkoliv vysílačem a přijímačem 2,5 km bude použitý časový interval odpovídat 512 bitovým intervalům nebo 64 oktetům. Počet časových intervalů před N-tým pokusem s opakováním se potom volí jako náhodně distribuované celé číslo R v rozsahu 0 ≤ R < 2K, kde K = min (N, za limitem). Vývojový diagram znázorňující vysílanou posloupnost rámce znázorňuje obr.11(a).
30
Obr.11 Operace CSMA/CD MAC podvrstvy: (a) vysílání; (b) příjem 31
Příjem rámce Obr.11(b) představuje proces příjmu rámce. V každé aktivní DTE připojené ke kabelu musí jednotka MAC nejprve detekovat přítomnost příchozího signálu z vysílače a potom přepnout na detekci testovacího signálu, aby zablokovala každé nové vysílání z této DTE. Příchozí úvodní synchronizační skupina (preamble) je použita pro synchronizaci a datová posloupnost kódovaná jako Manchester je přeměněna zpět do binárního tvaru. Nejprve se zbytek bitů úvodní synchronizační skupiny a omezovač začátku rámce po jejich zjištění odstraní. Pak se pole s cílovou adresou zpracuje, aby se zjistilo, zda má rámec být přijat touto DTE. V kladném případě se obsah rámce s cílovou a zdrojovou adresou a datovým polem zavede do vyrovnávací paměti rámce, kde počká na další zpracování. Přijaté pole s FCS se potom porovná s tím, co jednotka MAC během příjmu rámce vypočetla a v případě souhlasu obou výsledků je počáteční adresa ve vyrovnávací paměti spolu s přijatým rámcem předána následující vyšší vrstvě protokolu pro poskytování základní služby k dalšímu zpracování.. Před inicializací dalšího zpracování jsou s rámcem provedeny další ověřovací kontroly. Tyto kontroly slouží k tomu, aby se prověřilo zda rámec obsahuje celočíselný počet oktetů a není-li příliš krátký či příliš dlouhý. Jestli-že některá z těchto kontrol nevyhoví, pak se rámec zlikviduje a vyšší podvrstvě se nahlásí poruchový stav. Zpočátku je vysílaná bitová posloupnost vyvolaná kolizí přijata každou aktivní DTE stejným způsobem jako platný rámec. Jakmile kolidující DTEs detekují kolizi a začnou vysílat záměrnou rušivou posloupnost, tak se vysílání ukončí.
32
Dílčí části rámců přijaté za této situace poruší přípustnou minimální délku rámců a jsou přijímači DTEs likvidovány. Také maximální délka rámce a velikost vyrovnávacích pamětí pro přenos a příjem rámců se mohou vzájemně přizpůsobit. Pole s FCS představuje 32bitovou posloupnost generovanou CSR-32 obvodem s generačním mnohočlenem 32hého stupně.
33
