TÉMATICKÝ OKRUH Počítače, sítě a operační systémy
Číslo otázky : Otázka :
Obsah :
7. Média a topologie počítačových sítí. Sdílení přenosového média a přenosového kanálu. Přístupové metody. Příklady použití v reálných sítích
1. Média a topologie počítačových sítí 1.1 Přenosová média Přenosová média lze rozdělit do následujících skupin : ● metalická přenosová média ● optická přenosová média ● ostatní přenosová média (rádiová) 1.1.1 Metalická přenosová média Nesymetricá – koaxiální kabel. Po dlouhou dobu v počítačových sítích dominantní Kvalitní (drahé), přenos v základním (lze překlenout vzdálenost v řádově stovky metrů) i přeloženém pásmu(lze překlenout vzdálenost až několik kilometrů). Používá se u Ethernet 10Base5 a Ethernet 10Base2. Symetrická – kroucená dvojlinka(nestíněná, stíněná). Kroucená dvojlinka nestíněná je nejlevnější, vyvinula se ze snahy využít stávajícíchtelefonních rozvodů, parametry výrazně horší než koaxiální kabel. Použití typicky v základním pásmu v LAN, s dosahem 100m metrů při přenosových rychlostech do 1Gbps, přenosová rychlost podle kvality kabelu (kategorie). V kabelu 4 kroucené páry vzájemně opět zkrouceny Kroucená dvojlinka stíněná má různé varianty stínění. Dělí se do kategorii podle horního kmitočtu: UTP1 – UTP6. Každá kategorie má určité přenosové charakteristiky a je vhodná na jiné účely. Pro síťování se používají kategorie UTP5 a UTP6, pro telefonní vedení UTP1. S TP médii se lze setkat u sítí typu Ethernet 10BaseT, FastEthernet nebo GigaBit Ethernet. 1.1.2 Optická přenosová média Mají vysokou přenosová kapacita (desítky Gbps), jsou odolné proti rušení, odposlechu. Jsou dělená na multimode a singlemode. Singlemode(jednovidová) : vysvětlení principu je nad rámec geometrické optiky. Zdroj záření laser, médium je vhodné pro překlenutí velkých vzdáleností (až 70 km bez opakovačů), používá se především pro budování páteřních telekomunikačních tras. Multimode(vícevidová) : paprsek je šířen s více úhly odrazu, zdroj záření může být laser nebo LED. Omezení optických vláken : problémem deformace a splývání sousedních pulsů vlivem disperze : Chromatická disperze : různé frekvence se šíří různou rychlostí, => použití zdroje s co nejužším spektrem (laser) Vidová disperze : do vlákna vstupuje více paprsků (vidů) pod různými úhly, mají různé úhly odrazu a tedy různě dlouhé dráhy, lze omezit použitím gradientních vláken, => použití jednovidových vláken.
1.2 Topologie počítačových sítí Je způsob vedení spojů mezi uzly. Jejich vlastnosti jsou rozšířitelnost, spolehlivost vůči výpadkům, rekonfiguratelnost vůči výpadkům. Klasickým dělením topologie sítě na lokální(LAN) a rozlehlé(WAN). Kritériem pro dělení je již spíše jejich podle geografické polohy.
1.2.1 LAN (Local Area Networks, lokální sítě) Mají sdílený kanál (různé topologie), velké přenosové rychlosti (Mbps), na médiu v jednom okamžiku jediný paket. Sběrnice : Sběrnicová topologie je také známa jako lineární sběrnice. Jde o nejjednodušší a nejčastější způsob zapojení počítačů do sítě. Skládá se z jediného kabelu nazývaného hlavní kabel (také páteř nebo segment), který v jedné řadě propojuje všechny počítače v síti. Data v síti ve formě elektrických signálů jsou posílána všem počítačům v síti, nicméně informaci přijme pouze ten počítač, jehož adresa odpovídá adrese zakódované v počátečním signálu. V daný okamžik může zprávy odesílat vždy pouze jeden počítač. Malá odolnost proti výpadkům. Sběrnicová topologie je pasivní topologií. Počítače ve sběrnicové síti pouze poslouchají, zda jsou v síti posílána nějaká data. Neodpovídají na přesun dat z jednoho počítače na druhý. Pokud jeden počítač selže, neovlivní to zbytek sítě. Hvězda : Ve hvězdicové topologii jsou počítače propojeny pomocí kabelových segmentů k centrálnímu prvku sítě, nazývanému rozbočovač (HUB). Signály se přenáší z vysílacího počítače přes rozbočovače do všech počítačů v síti. Mezi každými dvěma stanicemi musí existovat jen jedna cesta! Odolné proti výpadku stanic, citlivé na výpadek rozbočovače Strom : je rozšířením hvězdy, v dnešní době je nejpoužívanější v LAN. Vlastnosti obdobné hvězdě, možnost hierarchického řízení přístupu na kanál. Kruh : jednosměrná 2-bodová propojení stanic, možnost kombinovat média, základní prvek posuvný registr (ve stanici), jsou citlivé na výpadek uzlu i spoje, lze řešit v MSAU přemosťování nefunkčních laloků(médium fyzicky vedeno do hvězdy s MSAU v centru), možnost ochrany pomocí dvou protisměrných kruhů a vhodného přemosťování, vysílání „slyší“ nejprve pouze soused (přeposílá dál), výhodné pro metody řízení přístupu na médium 1.2.2 WAN (Wide Area Networks, rozlehlé sítě) Je polygonální topologie z dálkových dvoubodových spojů, mají nižší přenosové rychlosti (kbps), na jednom médiu současně více paketů. Skládá se z dvoubodových linek mezi jednotlivými uzly, mezi dvěma uzly může být více cest. Ke směrovačům připojeny LAN v některé z dříve uvedených topologií. Fyzická topologie - podle vedení kabeláže Elektická topologie - podle vedení signálu Logická topologie jednotlivých stanic - logický kruh pro řízení přístupu na kanál, eliminace smyček pro dosažení stromové topologie nad obecnou topologií.
2. Sdílení přenosového média a kanálu 2.1 Sdílení přenosového média Pokud médium přenáší větší šířku pásma, než vyžaduje jeden přenosový kanál, můžeme nechat více kanálů sdílet jedno přenosové médium (multiplexovat jednotlivé kanály na společnou přenosovou cestu). Metody sdílení přenosového média : ● frekvenční multiplex ● časový multiplex ● statický multiplex
2.1.1 Frekvenční multiplex - FDMA Použité frekvence a jejich počet pevně dán obvodovým řešením (analogové obvody) Problém je v neúplném využití pásma vlivem nutnosti odstupu pásem příp. problém částečného překrytí pásem. Efektivní pro fixní počet uživatelů, z nichž každý kanál pokud možno plně využije např. sdružování hovorových kanálů v dálkových analogových telekomunikačních trasách Zvláštním případ FDMA je vlnový multiplex, který se používá v páteřních WAN spojích. 2.1.2 Časový multiplex - TDMA Sloty organizovány do periodicky se opakujících rámců. Je nutná synchronizace (bitové i rámcové) Dnes používanější, lepší adaptabilita a ovladatelnost konfigurací SW.
2.1.3 Statický multiplex - ATM Většina přenosů počítačového charakteru má shlukový charakter, takže je neekonomické vyhradit konstantní přenosovou kapacitu pouze pro jediný kanál - poměr zatížení špička-průměr i 1000:1). Nevýhodou synchronního TDM je pevné přidělení slotů - neodpovídá nárazovému charakteru požadavků stanic. Řešením statistický časový multiplex (ATM) pomocí inteligentního multiplexeru a označování dat v timeslotech hlavičkami určujícími příslušnost ke kanálu - na médiu kontinuální proud buněk (cells).
2.2 Sdílení přenosového kanálu Při sdílení přenosového kanálu je nutné řešit problém, kdy v jednom okamžiku lze vysílat jen jednou stanicí. Proto tedy existují metody, které tento problém řeší. Metody lze rozdělit : ● ●
Deterministické (bezkolizní) Nedeterministické (kolizní) 2.2.1 Deterministické metody
Je definován jednoznačný algoritmus určující, v jakém pořadí mohou stanice na kanál přistupovat. Na kanál nebude nikdy přistupovat více stanic současně. Ty se pak ještě dělí na metody s centralizovaným řízením a necentralizovaným řízením. 2.2.1.1 Centralizované řízení Jedna stanice vyhrazena jako řídící (master), ta přiděluje kapacitu kanálu ostatním (podřízeným) stanicím.Výhodou je efektivita, ale nutnost obětovat část kapacity kanálu pro komunikaci s masterem. Závislost sítě na řídící stanici. 1. Přidělování na výzvu Stanice smí vysílat jen je-li k tomu vyzvána centrálním řídícím prvkem ● Cyklická výzva ● Binární vyhledávání Cyklická výzva Centrální prvek periodicky nabízí stanicím právo k vysílání vyzývaná stanice buď vyšle rámec s daty, nebo odmítne výzvu, příp. neodpoví. Použitelné pro malé zpoždění na kanále. Rozumné pro vysoké využití kanálu většinou stanic, pro malé zatížení a velký počet stanic neefektivní. Binární vyhledávání Při malém zatížení a velkém počtu stanic je efektivnější vyhledávat stanici s připravenou vysílat data binárním vyhledáváním. Stanice se zorganizují do stromu podle jednotlivých bitů adres. Řídící stanice postupně vyzývá skupiny stanic (větve stromu) vysláním hodnoty 0/1 příslušného bitu adresy. Stanice vyzvané skupiny, které chtějí vysílat, odpoví signálem na sdíleném kanále. Pokud stanice zjistí, že je jediná, která odpovídá, může začít vysílat; jinak se výzva posune o jednu úroveň dolů ve stromu. Podmínkou je kanál, u kterého může stanice rozpoznat zda vysílá jedna nebo více stanic. 2. Přidělování na žádost Žádosti od stanic přicházejí k řídící stanici po vyhrazených kanálech. Řídící stanice rozhoduje mezi požadavky a přiděluje kanál. Použití v radiových sítích. 2.2.1.2 Distribuované řízení Nezávislé na řídící stanici. Zpravidla složitější implementace. 1. Rezervace kanálu Master periodicky generuje rezervační rámec. Ve „svém“ slotu může každá stanice požádat o přidělení datového slotu. Datové sloty následují za rezervačním rámcem. Neefektivní pro malou zátěží. 2. Binární vyhledávání Stanice postupně vysílají bity své adresy, které se na sběrnici sčítají. Pokud stanice vyšle 0 a
přečte 1, musí umlknout. Stanice, která odešle celou svou adresu, může odeslat jeden rámec. 3. Logický kruh Mezi stanicemi se cyklicky předává právo k vysílání (token). Stanice vlastnící token může vysílat, do určité doby však musí token předat další stanici. 4. virtuální logický kruh Po odvysílání rámce je další stanici vyhrazen časový interval, kdy smí začít vysílat. Pokud v daném intervalu nezačne vysílat, následuje interval další stanice. 2.2.2 Nedeterministické metody V algoritmu přístupu na kanál hraje roli náhoda - náhodně volené časové prodlevy. O přístup na kanál se může pokusit více stanic současně – kolize, přístupová metoda musí kolize řešit. Kolizní slot - udává, kolik času se nejvýše ztratí na nevyužití kanálu vlivem kolize. 2.2.2.1 Aloha Netestuje se obsazenost média, rovnou se vysílá. Kolize se detekuje tak, že do časového limitu nepříjde potvrzení. Po vypršení časového limitu opakování pokusu a před opakováním náhodné pozdržení (aby nedošlo k synchronizaci a opakované kolizi). Dodnes používáno pro rádiové a družicové sítě, kde velké zpoždění signálu nebo konstrukce anténních obvodů zamezují příposlechu vlastního vysílání. Prostá Aloha Při potvrzení se soutěží o kanál stejně. Kolizní slot je dvojnásobek vysílání rámce(timeslotu) Taktovaná Aloha Vysílat se smí začít jen v okamžicích začátků časových úseků pro odeslání jednoho rámce. Kolizní slot je poloviční, efektivita dvojnásobná. Řízená Aloha Řízená změna intenzity opakování podle okamžitého zatížení sítě. Vyšší intenzita opakování vede k rychlejšímu předání rámce, při blížícími se zablokování je však intenzitu nutné snížit, jinak bude docházet k velkému množství kolizí. 2.2.2.2 Carrier Sense Multiple Access (CSMA) Skupina metod náhodného přístupu s příposlechem nosné, tj. využití znalosti o obsazení kanálu. Podmínky pro aplikaci: ● dokonalá slyšitelnost stanic ● malé zpoždění signálu Podmínky platí v LAN. Při nesplnění těchto podmínek má efektivitu horší, než Aloha. Naléhající CSMA Před odesláním rámce se testuje stav kanálu je-li kanál obsazen, odloží se vysílání na okamžik jeho uvolnění. Riziko kolize stanic čekajících na uvolnění kanálu. Při kolizi čekání náhodnou dobu před dalším pokusem. Nenaléhající CSMA Při detekci obsazeného kanálu se počká náhodnou dobu, pak opět test obsazení. Čekací doba se obvykle volí jako k-násobek doby průchodu signálu sdíleným médiem. Metody CSMA samy o sobě nezajišťují stabilitu, je nutné aplikovat vhodnou metodu řízení pro udržení kanálu v pracovní oblasti (např. regulovat intenzitu opakování).
P-Naléhající CSMA Při potřebě vysílání se počká na okamžik uvolnění kanálu (nebo byl volný okamžitě). S pravděpodobností p začne vysílat, s pravděpodobností (1-p) se počká 1 timeslot. Toto se opakuje do úspěšného odeslání rámce, pokud mezitím začala vysílat jiná stanice, počká se náhodnou dobu (jako při kolizi). Volbou p lze lze nastavit optimální využití kanálu pro danou zátěž. CSMA/CD CSMA s detekcí kolize (sledování vlastního vysílání) - HW musí umožňovat detekci kolize. před vysíláním musí být na médiu klid po dobu kolizního slotu. Další postup odpovídá naléhající CSMA. CSMA/CD v Ethernetu Při detekci kolize stanice vysílá kolizní signál (jam), aby kolizi rozpoznaly všechny kolidující stanice.
