Media, polaczenia i kolizje

Nośniki, połączenia i kolizje

Sieci komputerowe

5. Nośniki, połączenia i kolizje W modelu odniesienia OSI fundamentem całej sieci jest warstwa fizyczna, która określa elektryczne, mechaniczne, proceduralne i funkcjonalne cechy służące do aktywowania, obsługi, dezaktywowania fizycznego połączenia pomiędzy dwoma systemami użytkownika. Zadaniem warstwy fizycznej jest transmitowanie danych Dane takie jak tekst, obraz lub dźwięk są reprezentowane przez impulsy elektryczne, zwane napięciem – przenoszone w miedzianym przewodzie lub przez impulsy świetlne światłowodzie. Proces transmisji nazywany kodowaniem, jest realizowany z użyciem kabli i złączy, nazywanych mediami sieciowymi.

5.1 Media sieciowe Media sieciowe to różnorodne środowiska fizyczne przez które przenoszone są sygnały. Aby komputery mogły sobie przekazywać kodowane informacje muszą być połączone w sposób fizyczny (kablem, światłowodem) lub przekazywać je drogą radiową. Do łączenia komputerów używa się kilku rodzajów fizycznych mediów: • Kabla koncentrycznego, • Skrętki nieekranowanej, • Skrętki ekranowanej, • Kabla światłowodowego. Kabel koncentryczny (współosiowy) składa się z zewnętrznego cylindrycznego przewodu, otaczającego pojedynczy przewód wewnętrzny. Zawiera on dwa elementy przewodzące, z których jeden to przewód miedziany umieszczony w środkowej części kabla. Jest on otoczony przez plastyczną warstwę izolującą. Nad warstwą izolującą znajduje się ekran złożony ze splecionych ze sobą miedzianych drutów lub z metalowej folli, która pełni rolę drugiego przewodu. Zewnętrzny spleciony przewód działa jako ekran przewodu wewnętrznego. Pozwala to na zredukowanie zakłóceń. Na zewnątrz ekranu znajduje się ochronna powłoka kabla. Zastosowanie kabli koncentrycznych w sieciach LAN daje kilka korzyści. Mogą one być używane bez wzmocnienia na dłuższe odległości niż skrętka ekranowana lub nieekranowana. Oznacza to, że kabel koncentryczny może łączyć węzły na dłuższych odległościach bez potrzeby stosowania regeneratorów dla wzmocnienia sygnału. Kabel koncentryczny jest tańszy niż światłowód. Kabel koncentryczny może mieć różne grubości. Im grubszy jest kabel, tym trudniej go stosować. Jest to ważne zwłaszcza wtedy, gdy kabel musi być umieszczony w istniejących otworach o ograniczonych rozmiarach. Ze względu na powlokę kabel jest sztywny. Skrętka nieekranowana UTP (ang. Unshielded Twisted Pair) jest kablem składającym się z czterech par drutów. Każda z par jest odizolowana od pozostałych. Zewnętrzna średniaca jest równa w przybliżeniu 4,3 mm. Mała grubość stanowi zaletę podczas instalacji. Ponieważ kabel UTP może być użyty w większości architektur sieciowych, ma coraz większe zastosowanie. Kabel UTP jest łatwy do zainstalowania i tańszy niż inne rodzaje mediów sieciowych. Jego podstawową zaletą jest rozmiar. Mała średnica zewnętrzna sprawia, że nie wypełnia istniejących kanałów tak szybko, jak inne rodzaje kabli. Kabel UTP jest instalowany ze złączem typu RJ (ang. Registered Jack). Złącza RJ są standardowymi złączami stosowanymi początkowo dla linii telefonicznych, a obecnie do łączenia sieci. Gwarantują one dobrą jakość połączeń, a potencjalne źródła zakłóceń w sieci są w znacznym stopniu eliminowane. Kabel UTP jest bardziej narażony na zakłócenia i interferencje, niż inne rodzaje mediów sieciowych. Początkowo nie był tak szybki jak pozostałe typy kabli. Obecnie jednak UTP jest najszybszym medium wykorzystującym miedziane przewody. Odległość między wzmacniaczami sygnału musi być mniejsza niż dla kabli koncentrycznych. Skrętka ekranowana STP (ang. Shielded Twisted-Pair) łączy technikę ekranowania i skręcania przewodów. Przy poprawnej instalacji zapewnia ona odporność na zakłócenia elektromagnetyczne i pochodzące od fal radiowych bez wzrostu rozmiaru ani wagi przewodu. -1-

Nośniki, połączenia i kolizje

Sieci komputerowe

STP ma wszystkie zalety i wady przewodu UTP. Dodatkowo zapewnia większą ochronę przed zewnętrznymi zakłóceniami, niż kabel UTP. Skrętka ekranowana STP jest droższa, niż skrętka nieekranowana UTP. W przeciwieństwie do kabla koncentrycznego, ekran w skrętce ekranowanej nie jest częścią przewodu. Stąd jedna stronna kabla musi być uziemiona. Zazwyczaj uziemienie przewodu znajduje się w szafce z okablowaniem lub w koncentratorze. Może to sprawiać kłopoty zwłaszcza przy starszych koncentratorach nieprzystosowanych do kabla STP. Niewłaściwie uziemiona skrętka UTP może być przyczyną poważnych problemów, ponieważ ekran działa jak antena, absorbując sygnały elektryczne pochodzące z innych przewodów i od sygnałów elektrycznych generowanych poza przewodem. Kabel STP nie może być używany na większą odległość bez wzmocnień. Kabel światłowodowy przenosi modulowane transmisje świetlne. Kabel światłowodowy nie jest podatny na zakłócenia elektromagnetyczne i ma znacznie większą przepustowość, niż UTP, STP i kabel koncentryczny. Nie przenosi on impulsów elektrycznych, jak robią to media stosujące przewody miedziane. W kablu światłowodowym sygnały odpowiadające bitom są zamieniane na wiązki światła. Technologie światłowodowe znalazły zastosowanie w latach 60-tych dzięki wyprodukowaniu wysokiej jakości włókien szklanych, wolnych od zanieczyszczeń Kabel światłowodowy jest wykonany z dwóch włókien okrytych oddzielnymi osłonami. Oglądając jego przekrój można zauważyć, że każde włókno jest otoczone przez odblaskową powłokę, plastykową warstwę zwana Kevlar (materiał ochronny, powszechnie stosowany w kamizelkach kuloodpornych) i zewnętrzny płaszcz. Płaszcz ten chroni cały kabel i jest zwykle wykonany z plastiku, spełniającego normy budowlane i przeciwpożarowe. Celem włókna Kevlara jest zapewnienie dodatkowej ochrony i zabezpieczenie delikatnych włókien szklanych o grubości włosa. Jeśli kabel ma być umieszczony pod ziemia, stosuje się stalowe druty, które dodatkowo go wzmacniają. Elementy kabla, które przenoszą światło są określane jako rdzeń (ang. core) i powłoka (ang. cladding). Rdzeń jest wykonany ze szkła o wysokim współczynniku załamania. Jeśli rdzeń jest otoczony przez powłokę wykonaną ze szklą lub plastiku o niskim współczynniku załamania, światło nie wydostaje się poza rdzeń. Proces ten jest nazywany całkowitym wewnętrznym odbiciem (ang. total intemal reflection). Dzięki temu włókno szklane działa jak kanał świetlny, przewodzący światło na olbrzymie odległości, nawet przez zakręty. Kabel światłowodowy jest odporny na zakłócenia elektromagnetyczne i fale radiowe. Ze względu na brak szumów wewnętrznych i zewnętrznych, sygnały w kablu światłowodowym mogą być przenoszone na znacznie większe odległości, niż w przypadku innych mediów. Jest on idealnym rozwiązaniem w przypadku budynków, które mają różne systemy uziemienia. Długie przewody miedziane, łączące budynki mogą przyciągać błyskawice; światłowody nie. Podobnie jak skrętka UTP, kabel światłowodowy ma niewielką średnice. Jest przy tym dość płaski, tak jak przewód do lampy. Dzięki temu pojedynczy kanał może pomieścić kilka kabli światłowodowych. Światłowód jest więc doskonałym rozwiązaniem dla starszych budynków, dysponujących niewielkimi zasobami wolnej przestrzeni. Kabel światłowodowy jest droższy i trudniejszy do zainstalowania, niż inne rodzaje mediów sieciowych. Ponieważ złącza światłowodowe są optycznymi interfejsami, muszą , być dokładnie wypolerowane i wolne od zarysowań. Proces instalacji jest więc trudny i wymaga fachowego wykonania. Wzrasta koszt robocizny, wiec w dużych instalacjach może to stanowić barierę.

5.2 Wybór właściwego medium sieciowego Wybór ten zależy od wieki kryteriów, takich jak szybkość transferu danych i koszt. Materiał połączeniowy używany w sieci decyduje o takich parametrach, jak ilość przesyłanych danych i szybkość transmisji. Inne elementy, na przykład wydatki i miejsce położenia kabla również spełniają ważną rolę. Aby medium sieciowe działało poprawnie, jakość przenoszonego sygnału nie powinna ulegać pogorszeniu podczas transmisji. Zniekształcenie sygnału może być spowodowane różnymi czynnikami. W celu zabezpieczenia sygnału przed zniekształceniem media sieciowe stosują techniki ekranowania i anulowania. Jednak różnorodne techniki ekranowania i anulowania stosowane w różnych mediach prowadzą do różnic w kosztach, rozmiarach i trudności instalacji. -2-

Nośniki, połączenia i kolizje

Sieci komputerowe

Ponadto media sieciowe mogą używać różnych typów płaszczy. Są one najczęściej wykonane z plastiku lub materiałów kompozytowych. Podczas projektowania sieci LAN należy pamiętać, że media sieciowe umieszczone między ścianami, w szybie windy lub przechodzące przez kanały wentylacyjne mogą stać się elementami, które rozprzestrzeniają ogień podczas pożaru. Ponadto osłony kabli mogą wydzielać toksyczny dym podczas spalania. Aby zabezpieczyć sieci przed takimi okolicznościami wprowadzono standardy bezpieczeństwa, które decydują o typie używanej osłony kabla. Podczas wyboru medium sieciowego zastosowanego w sieci LAN, oprócz takich elementów, jak wymiary kabla, szybkość transmisji, koszty i trudność instalacji, należy wziąć pod uwagę standardy bezpieczeństwa. Aby zrozumieć koncepcję wyboru medium, wyobraźmy sobie dwa miasta odległe o kilka kilometrów, połączone jednak drogami. Niektóre drogi mogą być bardzo proste - np. bite, inne szersze i wykonane z dobrych materiałów. Przykładem może tu być czteropasmowa, betonowa autostrada. Jeśli chcemy przejechać się w niedzielne popołudnie, możemy wybrać wąską, bitą drogę. Ale kierowca karetki wiozący pacjenta z jednej miejscowości do drugiej, tej drogi nie wybierze. Jego wymagania lepiej spełni wygodna autostrada. Podobnie jest z komunikowaniem się dwóch komputerów. Odpowiednikiem drogi są media na poziomie fizycznym. Rodzaj użytego materiału określa liczbę przesyłanych danych i szybkość transmisji.

5.3 Warstwa łącza danych Transmisją danych zajmuje się warstwa fizyczna modelu OSI. Po dokonaniu transmisji danych warstwa łącza danych modelu OSI zapewnia dostęp do mediów sieciowych i fizycznej transmisji, co umożliwia danym zlokalizowanie ich punktu docelowego w sieci. Ponadto warstwa łącza danych obsługuje powiadamianie o błędach, topologię sieci i kontrolę przepływu. Jeśli opieramy się na modelu OSI widzimy, że warstwa łącza danych przylega do warstwy fizycznej. Warstwa łącza danych zapewnia niezawodne przenoszenie danych w fizycznym łączu. Warstwa ta korzysta z adresów MAC (ang. Media Access Control). Przy tym założeniu, warstwa łącza danych skupia się na fizycznych (a nie logicznych) adresach, topologii sieci, zasadach funkcjonowania linii (sposoby korzystania z łączy przez końcowe systemy), powiadamianiu o błędach, kolejności dostarczania ramek i sterowania przepływami. Ponadto warstwa łącza danych korzysta z adresów MAC dla definiowania adresów sprzętowych tub adresów łącz danych, aby umożliwić równoczesny dostęp wielu stacji do tego samego medium. Przed rozpoczęciem wymiany pakietów danych z urządzeniem podłączonym do tej samej sieci LAN, urządzenie nadawcze musi znać adres MAC, używany jako adres docelowy.

5.4 Adresy MAC Każdy komputer ma jednoznaczny sposób identyfikacji. Niezależnie od tego czy jest podłączony do sieci, czy nie, ma jednoznacznie przyporządkowany fizyczny adres. Nie ma dwóch identycznych adresów. Jest on nazywany adresem MAC zlokalizowanym na karcie interfejsu sieciowego NIC (ang. Network Interface Card). Każda karta NIC, która jest zlokalizowana w warstwie łącza danych modelu odniesienia OSI ma niepowtarzalny adres MAC. Jeśli urządzenie umieszczone w sieci chce wysłać dane do innego urządzenia, może otworzyć ścieżkę komunikacyjną prowadzącą do tego urządzenia z użyciem adresu MAC. Przesyłane dane zawierają adres MAC docelowego punktu. Podczas przechodzenia przez media sieciowe karta NIC każdego urządzenia w sieci sprawdza, czy jego adres MAC odpowiada adresowi docelowemu, zapisanemu w pakiecie. Jeśli nie - karta NIC pomija dane i przechodzą one do kolejnej stacji w sieci. Jeśli jednak adresy są zgodne, karta NIC kopiuje pakiet danych i umieszcza tę kopię w warstwie łącza danych komputera. Chociaż pakiet został skopiowany przez kartę NIC danego komputera, jest dalej przenoszony w sieci, tak aby pozostałe karty NIC mogły sprawdzić adres MAC.

5.5 Karta interfejsu Karta NIC przekształca pakiety danych w sygnały, które są przesyłane w sieci. Zanim karta NIC opuści fabrykę, wytwórca przyporządkowuje jej fizyczny adres. Adres ten jest zaprogramowany w kości umieszczonej na karcie. Większość kart NIC ma adresy MAC wypalone w pamięci ROM. Podczas inicjowania karty NIC, -3-

Nośniki, połączenia i kolizje

Sieci komputerowe

adres MAC jest kopiowany do pamięci RAM komputera. W przypadku wymiany karty NIC w komputerze, fizyczny adres stacji zmienia się na nowy związany z nową kartą NIC.

5.6 Podsumowanie 1. Warstwa fizyczna zajmuje się transmisją danych. 2. Dla łączenia komputerów stosuje się kilka rodzajów mediów. 3. Kabel koncentryczny składa się zewnętrznego, cylindrycznego przewodnika, który otacza pojedynczy, wewnętrzny przewodnik. 4. Kabel UTP składa się z czterech par przewodów. 5. Kabel STP jest skrętką ekranowana łącząca osłonę, anulowanie i skręcane przewody. 6. Kabel światłowodowy jest medium sieciowym, które umożliwia przenoszenie modulowanych transmisji świetlnych. 7. Wybór mediów sieciowych zależy od takich kryteriów, jak szybkość transmisji danych lub koszt. 8. Warstwa łącza danych modelu OSI zapewnia dostęp do mediów sieciowych i umożliwia fizyczną transmisję za pomocą tych mediów, tak aby dane mogły zlokalizować docelowy punkt transmisji. 9. Warstwa łącza danych zapewnia niezawodny transport danych w sieci. Warstwa używa w tym celu adresu MAC, który jest umieszczony na karcie NIC. 10. NIC przekształca pakiety danych w sygnały, które są przenoszone w sieci. Każda karta NIC ma swój adres fizyczny przyporządkowany przez producenta.

-4-