Основы технологии Ethernet
Технология , , , , , , — это самая распространенная технология локальных сетей. В сетях Ethernet применяется множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий (Carrier Sense Multiply Access with Collision Detection — CSMA/CD). Все компьютеры сети имеют доступ к общей шине через встроенный в каждый компьютер сетевой адаптер, используя полудуплексный режим передачи. Схема подключения компьютеров по коаксиальному кабелю приведена на рис.6.1.
(рис 6.1) Сеть Ethernet на коаксиальном кабеле (стандарты 10Base-5/10Base-2)
Станции на традиционной локальной сети Ethernet могут быть соединены вместе, используя физическую шину или звездную топологию, но логическая топология — всегда шинная. Под этим мы подразумеваем, что среда (канал) разделена между станциями и только одна станция одновременно может использовать ее. Также подразумевается, что все станции получают кадр, посланный станцией (широковещательная передача). Адресованный пункт назначения сохраняет кадр, в то время как остальные отбрасывают ее. Каким образом в этой ситуации мы можем убедиться, что две станции не используют среду в одно и то же время? Ответ: если их кадры столкнутся друг с другом. CSMA/CD разработан, чтобы решить эту проблему согласно следующим принципам:
Каждая станция имеет равное право на среду (коллективный доступ).
Каждая станция, имеющая кадр для того, чтобы послать его, сначала "слушает" (отслеживает) среду. Если в среде нет данных, станция может начать передачу (слежение за несущей частотой).
Может случиться, что две станции, следящие за средой, находят, что она не занята, и начинают посылать данные. В этом случае возникает конфликт, называемый коллизией.
Протокол заставляет станцию продолжать следить за линией после того, как передача началась. Если есть конфликт, то все станции его обнаруживают, каждая передающая станция передает сигнал сбоя в работе, чтобы уничтожить данные линии, и после этого каждый раз ждет различное случайное время для новой попытки. Случайные времена предотвращают одновременную повторную посылку данных. Перед началом передачи узел должен убедиться, что несущая среда не занята, признаком чего является отсутствие на ней несущей частоты. Если среда свободна, то узел имеет право начать передачу кадра определенного формата. Предположим, что узлу 2 требуется передать кадр узлу N. Обнаружив, что среда свободна, узел 2 начинает передачу кадра (рис 6.2), которая предваряется не показано). Сигналы передатчика распространяются по кабелю в обе стороны, и все узлы распознают начало передачи кадра. Только узел N опознает свой собственный адрес (МАС-адрес назначения) в начале кадра и записывает его содержимое в свой буфер для обработки. Из принятого кадра определяется адрес источника (МАС-адрес источника), которому следует выслать кадр-ответ. Получатель пакета на 3-м уровне определяется в соответствии с полем ), цифрами обозначены длины полей кадра в байтах.
Любой узел при наличии кадра к передаче и занятой среды вынужден ждать ее освобождения. Признаком окончания передачи является пропадание несущей частоты. После окончания передачи кадра все узлы должны выдержать технологическую паузу 9,6 мкс, чтобы привести сетевые адаптеры в исходное состояние и предотвратить повторный захват среды одним и тем же узлом.
(рис 6.2) Местоположение в стеке протоколов и форматы физического и канального уровней сети Ethernet
Иногда возникают ситуации, когда один узел уже начал передачу, но другой узел еще не успел это обнаружить и также начинает передачу своего кадра. Такая ситуация захвата свободной среды более чем одним узлом называется ):
(рис 6.3) Обмен сигналами при возникновении коллизии
Если уровень принимаемого сигнала не превышает порогового значения, то узел продолжает передачу, если же превышает, то узел прекращает передачу кадра и посылает в сеть специальную 32-битную jam-комбинацию (сигнал коллизии) с нерегламентированной последовательностью, просто приводящей к повышению уровня сигнала в локальной сети из-за увеличения амплитуды импульсов манчестерского кода суммарного сигнала. После этого узел, обнаруживший коллизию, делает случайную паузу и затем снова может повторить попытку передачи кадра. Число повторных попыток не может превысить 16. Если же и после 16-й попытки кадр вызвал коллизию, то он отбрасывается. При большом количестве узлов вероятность коллизии возрастает, и пропускная способность сети Ethernet падает, т.к. сеть все большее время занята обработками коллизий и отбрасыванием кадров. Три фактора определяют работу CSMA/CD: минимальная длина кадра, скорость передачи данных и домен конфликта.
Станции нужно ждать определенное время, чтобы убедиться, что на линии нет никаких данных, — это время равно минимальной длине кадра, разделенной на скорость передачи (время, которое требуется, чтобы передать кадр минимальной длины), и пропорционально времени, необходимому для первого бита, чтобы пройти максимальное сетевое расстояние (домен конфликта). Другими словами, мы имеем:
Минимальная длина кадра/Скорости передачи
пропорциональна
Домен конфликта/Скорость Распространения
В традиционной Локальной сети Ethernet, минимальная длина кадра — 520 битов, скорость передачи — 10 Mбит/с, скорость распространения — почти равна скорости света, и домен конфликта — около 2500 метров.
показывает уровни Локальной сети Ethernet. Уровень звена передачи данных (канальный уровень) имеет два подуровня: подуровень управления логическим каналом связи (LLC — Logical Link Control) и подуровень управления доступом (MAC - Media Access Control). LLC-уровень ответственен за поток и контроль ошибок в уровне звена передачи данных (канальном уровне). Подуровень MAC ответственен за работу метода доступа CSMA/CD. Этот подуровень также создает данные, полученные от LLC-уровня, и передает кадры физическому уровню для кодирования. Физический уровень преобразует данные в электрические сигналы и посылает их следующей станции через среду передачи. Этот основной уровень также обнаруживает конфликты и сообщает о них уровню звена передачи данных (канальному уровню).
(рис 6.4) Уровни Ethernet
Кадр. В сети Ethernet имеется один тип кадра [5], содержащий семь полей: преамбула, начало кадра - SFD, адрес конечного пункта - DA, адрес источника - SA, длина/тип протокольной единицы — PDU и циклический избыточный код. Локальная сеть Ethernet не обеспечивает механизма для подтверждения получения кадров. Подтверждение реализуется на более высоких уровнях. Формат кадра CSMA/CD MAC показан на рис.6.5.
(рис 6.5) Кадр Ethernet
Преамбула. Преамбула кадров содержит 7 байтов (56 битов) чередующихся нулей и единиц, которые приводят в готовность систему для приема прибывающего кадра и подготавливают ее для синхронизации с помощью тактовых импульсов. Преамбула фактически добавляется на физическом уровне и не является (формально) частью кадра.
Ограничитель начала кадра (SFD — Start Frame Delimiter). Поле SFD (1 байт: 10101011) отмечает начало кадра и указывает станции на окончание синхронизации. Последние два бита — 11 (две единцы) — сигнал, что следующее поле — адрес получателя.
Адрес получателя (DA — Destination Address). Поле DA насчитывает 6 байтов и содержит физический адрес станции пункта назначения или промежуточного звена.
Исходный адрес (SA — Source Address). Поле SA также насчитывает 6 байтов и содержит физический адрес передающей или промежуточной станции.
Длина/тип. Поле длина / тип имеет одно из двух значений. Если значение поля меньше, чем 1518, это — поле длины и определяет длину поля данных, которое следует дальше. Если значение этого поля больше, чем 1536, оно определяет верхний протокол уровня, который используется для обслуживания Internet.
Данные. Поле данных переносит данные, инкапсулированные из верхних протоколов уровня. Это минимум 46 и максимум 1500байтов.
Циклический избыточный код (CRC — Cyclical Redundancy Check). Последнее поле в этих кадрах по стандарту 802.3 содержит информацию для обнаружения ошибок, в этом случае CRC — 32.
Адресация. Каждая станция типа PC, рабочая станция или принтер на сети Локальной сети Ethernet имеет ее собственную сетевую интерфейсную карту (NIC — Network Interface Card). NIC размещается внутри станции и обеспечивает станцию 6-байтовым физическим адресом. Адрес Локальной сети Ethernet — 6 байтов (48 битов), он обычно записывается в шестнадцатеричной системе обозначений с дефисом, чтобы отделить байты, как показано ниже:
$$07-01-02-01-2C-4B$$
Адреса в Локальной сети Ethernet передают байт за байтом, слева направо, однако для каждого байта самый младший бит передают первым, а самый старший бит — последним. Есть три типа адресов в Локальной сети Ethernet: однонаправленный, групповая рассылка и передача. Исходный адрес всегда однонаправленный. Адрес получателя может быть однонаправленным адресом (один единственный получатель), групповой рассылкой (группа получателей) или широковещательной передачей (все станции, подключенные к LAN). В однонаправленном адресе самый старший бит в начале байта:
0 в адресе групповой рассылки младший бит.
1 Широковещательный адрес — это поле 48 бит.
Основные устройства сети Ethernet
Устройства подключения
Сегодня обычная сеть состоит из многих локальных сетей и одной
или нескольких базовых. Поэтому в технологиях должны быть предусмотрены способы объединить эти сети. Инструментальные средства, предназначенные для этих целей, называются .
В этом разделе мы обсуждаем пять видов устройств: ретрансляторы, концентраторы, мосты, маршрутизаторы и коммутаторы. Ретрансляторы и концентраторы работают на первом уровне набора протоколов TCP/IP. (Это сопоставимо с физическим уровнем модели OSI.) Мосты работают на первых двух уровнях. Маршрутизаторы работают на первых трех уровнях. Мы имеем два типа коммутаторов: первый тип — усложненный мост и второй — усложненный маршрутизатор. рис 6.6показывает уровни, на которых работает каждое устройство.
(рис 6.6) Подключающие устройства
Ретрансляторы
Для увеличения длины общей сети, состоящей из различных сегментов кабеля, используются ретрансляторы. Ретранслятор является устройством 1-го уровня и работает только на физическом уровне. Сигналы, которые переносят информацию в пределах сети, могут пройти фиксированное расстояние до того момента, когда затухание создаст угрозу целостности данных. Ретранслятор получает сигнал, и прежде чем он становится слишком слабым или искаженным, восстанавливает первоначальный вид бита. Затем он передает регенерированный сигнал. Ретранслятор может увеличить физическую длину сети, как показано на рис. 6.7.
Он принимает сигналы из одного сегмента кабеля и побитно синхронно повторяет их на другом сегменте кабеля, увеличивая мощность и улучшая форму импульсов. Применение ретранслятора вносит дополнительную задержку и ухудшает распознавание коллизии, поэтому их количество в сети Ethernet не должно превышать 4, при этом максимальная длина одного сегмента должна быть не более 500 метров, а диаметр всей сети — не более 2500 метров. Заметим, что сеть, образованную с помощью ретрансляторов, все еще считают одной локальной сетью, но часть сети, разделенную ретрансляторами, называют сегментом. Ретранслятор действует как узел с двумя интерфейсами, но работает только на физическом уровне.
(рис 6.7) Ретранслятор
Когда он получает пакет от любого из интерфейсов, он восстанавливает и передает его вперед к другому интерфейсу. Ретранслятор передает вперед каждый пакет, но не имеет никаких возможностей для выделения и перенаправления информации.
Концентраторы
Соединение узлов между собой осуществляется через центральное устройство — концентратор (рис 6.8), и это значительно устраняет недостатки предыдущих стандартов. Хотя в общем смысле термин "концентратор" может применить к любому устройству подключения, в данном случае он имеет специальное значение. Концентратор — фактически многовходовой ретранслятор. Он обычно используется, чтобы создать соединение между станциями в физической звездной топологии.
Концентратор (Hub) является устройством 1-го уровня и осуществляет функции повторителя на всех отрезках витых пар между концентратором и узлом, за исключением того порта, с которого поступает сигнал. Каждый порт имеет приемник (R) и передатчик (T). Кроме того, концентратор сам обнаруживает коллизию и посылает jam-последовательность на все свои выходы. Типовая емкость концентратора — от 8 до 72 портов. Концентраторы могут также использоваться, чтобы размножать уровни иерархии, как показано на рис.6.9.
Концентраторы можно соединять друг с другом с помощью тех же портов, которые используются для подключения узлов. Стандарт разрешает соединять концентраторы только в древовидные структуры, любые петли между портами концентратора запрещены. Для надежного распознавания коллизии между двумя любыми узлами должно быть не больше 4 концентраторов, при этом максимальная длина между концентраторами должна быть не более 100 метров, а диаметр всей сети — не более 500метров.
(рис 6.8) Сеть Ethernet, образованная с помощью концентратора, на витой паре (стандарт 10Base-T)
(рис 6.9) Размножение уровней иерархии с помощью концентраторов
Заметим, что сеть, построенная на основе концентраторов, рассматривается как одна единственная локальная сеть. Эта сеть представляется логической топологией типа "шина" (если станция передает пакет, он будет получен каждой другой станцией без переадресации). Иерархическое использование концентраторов устраняет ограничение длины 10BASE-T (100 метров). Построение локальных сетей большой емкости только с помощью концентраторов приводит к возрастанию числа коллизий и снижению пропускной способности сети. Поэтому концентраторы используются для построения небольших фрагментов сетей, которые затем объединяются с помощью мостов и коммутаторов.
Мосты
), но, в отличие от повторителя, снабжен определенной логикой. Порт моста записывает все кадры, поступающие от узлов одного сегмента, в буферную память данных. Как устройство физического уровня, он восстанавливает сигнал, который получает. Как устройство уровня звена передачи данных, мост может проверить физический адрес (источник и пункт назначения), содержащиеся в пакете. Заметим, что мост, подобно ретранслятору, не имеет никакого физического адреса. Он действует только как фильтр, но не как исходный передатчик к конечному пункту назначения. В исходном состоянии, когда состав сети неизвестен, мост ретранслирует буферизированные кадры, поступающие с одного порта, на другой порт по алгоритму CSMA/CD. Мосты "прозрачны" и распознаваемы; они могут быть легко установлены между двумя сегментами локальной сети (принцип "plug and play" — "включай и работай"Принцип, используемый в настоящее время для многих компонентов, когда программное обеспечение распознает вновь подключаемое оборудование и само включает его в работу или дает простые указания для подключения человеку). Таблица моста первоначально пуста, но как только мост получает и передает вперед пакет, он создает в своей таблице вход с исходным адресом и интерфейсом прибытия. С тех пор мост знает, от кого поступает каждый пакет, к какому пункту назначения, от какого интерфейса. Мост также делает запись информации о пункте назначения, используя информацию, содержащуюся в пакете. Мы делаем нечто подобное, когда отвечаем по почте (или электронной почте).
(рис 6.10) Сеть Ethernet с использованием моста
По истечении некоторого времени мост составит следующую таблицу таблица 6.1 рис 6.11).
| Порт 1 | Порт 2 |
|---|
| МАС-адрес узла 1 | МАС-адрес узла Х+1 |
| МАС-адрес узла 2 | . . . |
| . . . | МАС-адрес узла N |
| МАС-адрес узла Х | МАС-адрес маршрутизатора |
Он по свой таблице определяет, что нужно ретранслировать кадр из буфера порта 1 в порт 2. Если же мост получает кадр от узла 2, направленный к узлу Х, то он по своей таблице определяет, что узлы находятся в одном сегменте, и стирает кадр в буферной памяти порта 1. Записи в таблице, произведенные мостом, являются динамическими. По истечении определенного времени, если мост не принял ни одного кадра от какого-то узла, такая запись стирается. Процедура ограниченного хранения записанных данных называется кэшированием и предохраняет таблицу от переполнения при удалении узла из сети или при перемещении узла из одного сегмента в другой. Записи, внесенные в таблицу администратором, называются статическими и не имеют срока жизни, они дают возможность администратору при необходимости принудительно подправлять работу моста.
Коммутатор (Switch)
Термин "коммутатор" может означать две различных вещи. Мы должны уточнять информацию об уровне, на котором устройство работает. Мы можем иметь коммутатор уровня два или коммутатор уровня три. Кратко обсудим каждый.
Коммутатор уровня два Коммутатор уровня два — мост со многими интерфейсами, который позволяет лучше (более быстро) распределять информацию. Мост с несколькими интерфейсами может подключить несколько сегментов LAN вместе. Мост со многими интерфейсами может распределить информацию каждой станции к каждой станции на одном и том же сегменте. Далее мы используем термин "мост" для коммутатора уровня 2.
Коммутатор уровня три Коммутатор уровня три — маршрутизатор. Коммутатор уровня три может получить, обработать и послать пакет намного быстрее, чем традиционный маршрутизатор, даже при том, что функциональные возможности у них одни и те же. Мы используем термин "маршрутизатор" для коммутатора уровня три.
(рис 6.11) Мост
). Каждый порт коммутатора оснащен процессором обработки пакетов (Пр.), который может работать как в полудуплексном, так и в дуплексном режиме. При подключении к порту коммутатора отдельного узла (компьютера или маршрутизатора) порт коммутатора устанавливается в дуплексный режим, а в узел ставится сетевая карта с подавлением коллизий. За счет этого узел и коммутатор имеют возможность одновременной передачи и приема пакетов. При подключении к порту коммутатора концентратора порт коммутатора устанавливается в полудуплексный режим.
(рис 6.12) Сеть Ethernet с использованием коммутатора
Для коммутации кадров между портами используется коммутационная матрица (Мх). Аналогично мосту каждый порт ведет адресную таблицу МАС-адресов, подключенных к нему устройств и сообщает о ней центральному процессору (ЦПР). После приема начальных бит кадра входной процессор анализирует адрес назначения и пытается установить соединение через коммутационную матрицу, не дожидаясь прихода, оставшихся бит кадра. Для этого он обращается к ЦПР с заявкой на установление пути в коммутационной матрице. ЦПР имеет адресную таблицу и может осуществить запрашиваемое соединение, если порт назначения свободен, т.е. не соединен с другим портом. Если же порт занят, то ЦПР в соединении отказывает, и кадр продолжает буферизироваться процессором входного порта до освобождения выходного порта. После того как требуемый путь в коммутационной матрице установлен, по нему направляются кадры в выходной порт, где они повторно буферизируются на случай разной скорости коммутируемых портов. Процессор выходного порта по значению контрольной суммы (FCS) опционально может проверить целостность принятого кадра и начинает передавать по сегменту Ethernet принятый кадр. Из-за наличия множества портов коммутатор обладает существенно более высокой производительностью за счет параллельной обработки кадров. Если потоки данных между портами распределяются, не конфликтуя между собой, т.е. соединения вида "входной порт — выходной порт" образуют независимые пары, то коммутатор емкостью N портов может одновременно обслуживать N/2 полудуплексных соединений или N дуплексных соединений.
Маршрутизаторы
Маршрутизатор — устройство с тремя уровнями; он работает на физическом уровне, канальном уровне звена (уровне звена передачи данных) и сетевом уровне. Как устройство физического уровня, он восстанавливает сигнал, который он получает. Как устройство уровня звена передачи данных, маршрутизатор проверяет физические адреса (источник и пункт назначения), содержащиеся в пакете. Как устройство сетевого уровня, маршрутизатор проверяет адреса сетевого уровня (адреса в уровне IP).
Маршрутизатор может: соединять локальные сети; соединять вместе сети общего назначения; подключить локальные сети к сетям общего назначения. Другими словами, маршрутизатор — устройство межсетевого обмена; он соединяет вместе независимые сети, чтобы формировать сеть Internet. Согласно этому определению, сети, соединяемые маршрутизатором, становятся Internet-сетью, или Internet.
Есть три главных отличия между маршрутизатором и ретранслятором или мостом:
Маршрутизатор имеет физический и логический (IP) адрес для каждого из его интерфейсов.
Маршрутизатор действует только на тех пакетах, в которых адрес получателя соответствует адресу интерфейса, куда пакет прибывает. Это истинно для однонаправленного, группового или широковещательного адреса.
Маршрутизатор изменяет физический адрес пакета (и источник, и пункт назначения), когда он передает пакет вперед.
Рассмотрим пример. На рис.6.13 , мы показываем две сети LAN, разделенных маршрутизатором. Левая LAN имеет два сегмента, отделенные мостом. Маршрутизатор изменяет источник и адреса получателя пакета. Когда пакет перемещается в левую LAN, его исходный адрес — это адрес передающей станции; его адрес получателя — это адрес маршрутизатора. Когда тот же самый пакета перемещается во вторую LAN, его исходный адрес — адрес маршрутизатора, и его адрес получателя — адрес заключительного пункта назначения. Маршрутизаторы направляют пакеты среди множества связанных сетей. Они направляют пакеты от одной сети до любого множества потенциальных сетей пункта назначения на Internet.
(рис 6.13) Пример маршрутизации
Маршрутизаторы действуют на сети подобно станциям. Но в отличие от большинства станций, которые включаются только в одну сеть, маршрутизаторы адресуются и подключены к двум или более сетям. О маршрутизаторах и процедуре маршрутизации более подробно можно будет узнать в главах, посвященных сети Интернет.
Реализация
Стандарты определяют несколько реализаций для традиционного Internet. В зависимости от типа физической среды имеются различные стандарты:
10BASE5 ("толстый" Ethernet) использует топологию типа "шина" с толстым коаксиальным кабелем как средой передачи.
10BASE2 ("тонкий" Ethernet или более дешевая сеть) использует топологию типа "шина" с тонким коаксиальным кабелем как средой передачи.
10BASE-T (Локальная сеть Ethernet по витой паре) использует физическую звездную топологию (логическая топология — все еще шина") со станциями, подключенными двумя парами кабеля с витой пары к центру.
10BASE-FL (Локальная сеть Ethernet по оптоволоконной паре) использует звездную топологию (логическая топология — все еще "шина") со станциями, подключенными парой волконно – оптических кабелей к центру. Число 10 обозначает скорость передачи 10 Мбит/с, Base — передачу на одной базовой частоте 10 МГц, последний символ обозначает тип кабеля:5 — коаксиальный кабель диаметром 0,5 дюйма), 2 — коаксиальный кабель диаметром 0,25 дюйма, Т (twisted pair) — неэкранированная витая пара, FL (fiber link) — оптический кабель.
Быстрая Локальная сеть Ethernet
Потребность в более высокой скорости данных создала Быстрый протокол Локальной сети Ethernet (100 Mbps). На уровне MAC Быстрая Локальная сеть Ethernet использует те же самые принципы, что и традиционная Локальная сеть Ethernet (CSMA/CD), за исключением того, что скорость передачи была увеличена от 10 Mbps до 100 Mbps. Чтобы CSMA/CD работала, есть две возможности: либо увеличить минимальную длину кадра, либо уменьшить домен коллизии (скорость света не может быть изменена). Увеличение минимальной длины кадра требует дополнительного заголовка. Если данные, которые будут посланы, недостаточно длинны, мы должны будем добавить дополнительные байты, что влечет за собой увеличение передаваемой служебной информации и потерю эффективности. Быстрая Локальная сеть Ethernet выбрала другой путь: домен коллизии был уменьшен с коэффициентом 10 (от 2500 метров до 250 метров). Эта звездная топология 250 метров приемлема во многих случаях. На физическом уровне Быстрая Локальная сеть Ethernet использует различные методы передачи сигналов и различные среды для того, чтобы достигнуть скорости передачи данных 100 Mbps.
Реализация Быстрой Локальной сети Ethernet
Быстрая Локальная сеть Ethernet может быть разбита на категории реализации либо по двухпроводной линии, либо по четырехпроводной. Двухпроводная реализация названа 100BASE-X, или реализация кабелем с витыми парами (100BASE-TX), или реализация кабелем с оптическим волокном (100BASE-FX). Реализация четырехпроводной линией разработана только для кабеля с витыми парами (100BASE-T4). Другими словами, мы имеем три реализации: 100BASE-TX, 100BASE-FX, и 100BASE-T4.
Гигабитовая Локальная сеть Ethernet
Потребность в скорости передачи данных выше, чем 100 Mbps, в результате породила протокол Гигабитной Локальной сети Ethernet (1000 Mbps). Чтобы достигнуть этой скорости передачи данных, уровень MAC (управления средой доступа) имеет два варианта: сохранение CSMA/CDили отказ от него. Как и прежде, эти варианты конструкции должны либо уменьшить домен конфликта, либо увеличить минимальную длину кадра. Так как домен конфликта 25 метров недопустим, минимальная длина кадра увеличена очень изящным способом. Во втором варианте - отказ от использования CSMA/CD - каждая станция соединена двумя отдельными путями с центральным концентратором (hub). Это называется Дуплексной Локальной сетью Ethernet без конфликтов и не нуждается ни в каком CSMA/CD/. На физическом уровне было сделано много изменений, чтобы позволить передавать данные на этой скорости.
Реализации Гигабитной Локальной сети Ethernet
Локальная Гигабитная сеть Ethernet может быть классифицирована по реализации либо как двухпроводная линия, либо как четырехпроводная. Двухпроводная линия названа 1000BASE-X и может быть реализована с оптическими волокнами, передающими лазерные коротковолновые сигналы (1000BASE-SX); с оптическими волокнами, передающими длинноволновые лазерные сигналы волны (1000BASE-LX); с защищенной витой парой, передающей электрические сигналы (1000BASE - CX). Четырехпроводная версия использует кабели c витыми парами (1000BASE-T).
Технология Token Ring
Технология также использует разделяемую среду с топологией в виде кольца (рис 6.14), но в отличие от Ethernet применяет не случайный, а детерминированный доступ. Право на доступ передается от одного узла к другому в виде специального кадра, называемым маркером (Token). Каждый порт имеет приемник (R) и передатчик (T). Скорость передачи кадров по кольцу может быть 4 или 16 Мбит/с, смешение скоростей в одном кольце не допускается. В качестве физической среды может использоваться витая пара или оптоволоконный кабель. Максимальное число узлов в кольце - 260, максимальная длина кольца - 4000 метров.
(рис 6.14) Сеть Token Ring
(рис 6.15) Прохождение маркера
Кольцевая сеть с маркерным доступом
Эта сеть использует для доступа к сети маркер. Прохождение маркера иллюстрируется на рис.6.15 . Всякий раз, когда сеть не занята, циркулирует простой 3-байтовый маркер. Его передают от станции к станции, пока он не встретится со станцией, имеющей данные для передачи. Станция сохраняет маркер и посылает кадр данных. Этот кадр имеет адрес назначения и адрес источника. Он обрабатывается по кольцу и регенерируется каждой станцией. Каждая станция проверяет адрес пункта назначения, и если находит, что кадр адресован другой станции, то он ретранслирует его соседней станции. Назначенный заранее получатель распознает свой собственный адрес, копирует сообщение в буфер, проверяет ошибки и заменяет 4 бита в последнем байте кадра для того, чтобы показать, что адрес опознан и кадр скопирован. Полезный пакет затем продолжает передаваться по кругу, пока не вернется к станции, с которой он послан. Узел, инициировавший передачу кадра, получив подтверждающий кадр, изымает его из кольца и передает маркер следующему узлу. Каждый узел следит за временем удержания маркера, которое обычно равно 10 мс. За это время узел может передать несколько кадров. При первоначальном включении все станции начинают процедуру выбора активного узла, критерием которого является узел с максимальным значением МАС - адреса. В дальнейшем этот узел каждые 3 секунды генерирует специальный кадр своего присутствия и восстанавливает маркер в случае его утери. В случае отключения какого-либо узла от сети или пропадания питания на узле релейные схемы этого порта замыкают накоротко его передатчик (T) с приемником (R), обеспечивая неразрывность кольца.
Уровни Кольцевая сеть с маркерным доступом использует те же самые два уровня, что и Ethernet. Уровень звена данных разделяется на два подуровня: управления логической связью (LLC — Logical Link Control) и управления средой доступа (MAC — Media Access Control). LLC здесь играет ту же роль, что и в Ethernet. Подуровень MAC несет ответственность за передачу маркера и операции резервирования. Он также ответственен за создание кадра и его доставку физическому уровню.
Кадр Сеть с маркерным доступом определяет три типа кадров: данные, маркер и прерывание.
Кадр данных. В сети с маркерным доступом кадр данных — только один из трех типов, который несет протокольные модули данных (PDU - Protocol Date Unit) и только с одним адресом заданного конечного пункта. Рис. 6.16 показывает формат кадра данных. Ниже дается описание каждого поля в кадре:
Начальный ограничитель (SD — Start delimiter). Это первое поле кадра данных SD длиной 1 байт. Оно используется для подготовки принимающей станции к поступлению кадра, а также для того, чтобы обеспечить синхронизацию, восстанавливающую тактовые импульсы.
Управление доступом (AC — Access Control). Это поле AC длиной 1 байт включает четыре подполя. Первые три бита — это поле приоритета. Четвертый бит называется маркерным битом и устанавливается для того, чтобы показать, что кадр есть кадр данных, а не маркер или кадр прерывания. Маркерный бит следует за битом наблюдения. Последние 3 бита — резервное поле, которое может быть установлено станцией, желающей зарезервировать доступ к кольцу.
Управление кадром (FC — Frame Control). Поле FC имеет длину 1 байт и содержит два поля. Первое - это однобитовое поле, которое указывает тип информации, содержащейся в протокольной единице PDU (это информация управления или данные). Второе использует 7 оставшихся бит из байта и содержит информацию, используемую сетью с маркерным доступом (например, как использовать информацию в поля AC).
Адрес пункта назначения (DA - Destination Address). Поле DA в 6 байт содержит физический адрес кадров следующего конечного пункта.
(рис 6.16) Кадр данных
Адрес источника (SA — Source Address). Поле SA также имеет длину 6 байт и содержит физический адрес передающей станции.
Данные. Шестое поле, данные размещает 4500 байт и содержит протокольные единицы PDU. Кадр сети с маркерным доступом не включает единицу длины или типа поля.
Циклический избыточный код (CRC — Cyclic Redundancy Code). Поле CRC имеет длину 4 бита и содержит CRC—32, обнаруживающую последовательность ошибок.
Конечный ограничитель (ED — End Delimiter). ED — второе поле флага в один байт, который указывает конец передачи данных и управляющей информации.
Состояние Кадра (FC — Frame Status). Последний байт кадра — поле FS. Он может быть установлен приемником для того, чтобы указать, что кадр прочтен, или монитором, чтобы указать, что кадр прошел вокруг кольца. Это поле — не подтверждение, но оно указывает передатчику, что приемная станция скопировала кадр, который может теперь быть удален.
Кадр маркера. Поскольку маркер реально заполняет место и кадр резервирования, он имеет только три поля: разделитель старта (SD), разделитель управления доступом AC и разделитель окончания. Поле SD указывает, что кадр поступил. Поле AC указывает, что кадр — маркер, и включает поля резервирования и приоритет. Поле ED указывает конец кадра.
Кадр прерывания. Прерывание не несет вообще никакой информации - только разделитель (SD) старта и окончание. Он может быть передан любым передатчиком при остановке своей собственной передачи (по любой причине) или монитором, чтобы произвести чистку информации старой передачи на линии.
Адресация. Так же как и большинство реализаций локальной сети Ethernet, кольцевая сеть с маркерным доступом использует 6-байтовый адрес. Механизм адресации тот же самый, что у локальной сети Ethernet, за исключением того, что кольцевая сеть с маркерным доступом сначала передает самый старший бит каждого байта.
). Один MAU может обеспечить работу до восьми станций. MAU могут быть объединены, чтобы создать большее кольцо.
(рис 6.17) Многостанционный модуль доступа (MAU — Multi Access Unit)
Кольцевая сеть с маркерным доступом EFM - C определяет спецификации и рекомендации необходимые для реализации локальной сети Ethernet через скрученные медные пары. Следует обратить внимание, эта локальная сеть связь по Ethernet осуществляется, без использования технологии ATM, PPP (Point – to- Point Protocol), и так далее. Стандарт определяет две минимальных цели - скорость и расстояние:
EFM - C на короткое расстояние (EFM – C SR) - локальная сеть Ethernet по меди для короткого расстояния, обеспечивает минимум скорость 10 Мбит до не менее 750 метров.
EFM - C на большие расстояния (EFM -C LR) - локальная сеть Ethernet по меди обеспечивает как минимум 2 Мбит до 2700 метров.
Эти скорости указывают минимальные значения, и стандарт не ограничивает достижение более высоких скоростей и расстояний. Есть также спецификация для уплотненных пар с небольшим количеством уплотненных каналов. Это используется там, где надо увеличить пропускную способность без применения оптических кабелей. Повторяем, что этот тип соединений, использующий пары не применяет сложных систем, таких как ATM (IMAинверсная технология через ATM технология передачи одного логического канала по нескольким физическим ATM – Inverse Multiplexing over ATM) или объединение пар, как это делается в SHDSL.
На физическом уровне EFMC (EFMC SR и EFMC LR) использует методы модуляции DSL, на основе опыта работы и большого числа с DSL, установленных во всем мире. Пока рекомендуются для применения не все типы DSL. Чаше всего современные системы EFMC SR реализуется чаще на VDSL (только для протоколов Локальной сети Ethernet), а для EFMC LR по SHDSL ITU-T G991.2 и G.SHDSL.bis (только для протоколов Локальной сети Ethernet). Кроме того, эти типы DSL должны использовать Локальную сеть Ethernet только на канальном уровне (уровень 2) стека протоколов (не разрешается использовать ATM или PPP).
Для физического уровня EFMC стандарта 802.3ah определяются два новых подуровня, которые называются , содержит информацию о некоторых EFMC, соответствующих стандарту 802.3ah EFM
EFMC, соответствующих стандарту 802.3ah EFM
| EFMC Порты | EFMC PHY Тип | Тип DSL для локальной сети Ethernet | Минимальные скорости/расстояния |
|---|
| EFMC на короткое расстояние | 10BASS-TS | VDSL | 10 Мбит/с / 750 м |
| EFMC на большие расстояния | 2BASE-TL | SHDSL (G 991.2) и G.SHDSL.bis | 2 Мбит/с / 2700 м |
Локальная сеть Ethernet Первой Мили по оптическому волокну Точка-точки (EFMF)
EFMF содержит рекомендации для реализации Локальной сети Ethernet по оптическому кабелю, применяя технологию точка - точка в одномодовом режиме (G 652) и используя либо единственно волокно либо двойное волокно (пара волокон). Использование единственного волокна предоставляет возможность создать двух волновой мультиплексор, который разбивает, сигнал на передачу и приём, и передавать их волнам по различной длины. Волны одной длины пропускает поток вниз ("сеть - пользователь" ) - D, а другая как поток вверх ("пользователь - сеть") - U. Это может оптимизировать работу с оптическим волокном на уровне доступа.
EFMF поддерживает симметричную связь при ширине полосы частот до 100 Mбит/c и 1 Гбит/с, при связи точка-точка по оптоволоконной линии связи расстояние минимум 10 км. EFMF допускает применение более эффективных технологий "волконо к зданию" (FTTB – Fiber to the Building), волокно до распределительной коробки (FTTC– Fiber to the Curb), и волокно на дом (FTTH – Fiber to the Home). Эта часть стандарта 802.3ah определяет две цели для Локальной сети Ethernet скорость и расстояние:
EFMF 100 Мбит/с SMF-Т использует Локальную сеть Ethernet в одномодовом режиме (SMF – Single Mode Fiber) либо с одним волокном, либо с двумя волокнами. Использования 100 Мбит/с Быстрой Локальной сети Ethernet осуществляется как минимум на расстоянии 10 км.
EFMF 1000 Мбит/с (1 Гбит/c) SMF - Локальная сеть Ethernet в одномодовом режиме (SMF – Single Mode Fiber) либо с одним волокном, либо с двумя волокнами. Использования 100 Мбит/с Быстрой Локальной сети Ethernet осуществляется как минимум на расстоянии 10 км.
Перечисленные выше устройства могут функционировать в пределах температуры от -40 до +85 градусов Цельсия. Это позволяет развертывать EFMF во внешней среде.
Физический уровень EFMF (PHY) определяет в зависимости от среды новые физические подуровни. Передачу и прием по отдельным оптическим волокнам. Эти подуровени известны как 100BASE-LX10 для 100 Мбит/с и как 1000BASE-LX10 для 1Гбит/c. Для системы из единственного волокона, PHY подуровень для Быстрой Локальной сети Ethernet обозначается - 100BASE-BX10, и для Локальной гигабитовой сети Ethernet - 1000BASE-BX10. Обе эти скорости поддерживаются в одномодовом режиме (SMF) на расстоянии 5 км или в более чем 10 км.
таблица 6.3содержит информацию для некоторых EFMF стандарта 802.3ah.
Информация для некоторых EFMF стандарта 802.3ah
| SMF (G 652) Волокно | Физический уровень EFMF Тип Подуровня для 100 Мбит/с, Быстрая Локальная сеть Ethernet (км) | Физический уровень EFMF Тип Подуровня для 1000 Мбит/с, Локальная сеть гигабитная сеть Ethernet (км) | План Длины волны |
|---|
| Одиночное волокно | 100BASE-BX10-D, 10km, 100BASE-BX10-U, 10km | -- | двойная длина волны, поток "сеть - пользователь" (BX10-D) передача 1480 нм до 1580 нм; поток "пользователь сеть" (BX10-U) передает 1260 нм до 1360 нм. |
| Одиночное волокно | | 1000BASE-BX10-D, 10km1000BASE-BX10-U, 10км | двойная длина волны, поток "сеть - пользователь" (BX10-D) передача 1480 нм до 1500 нм; поток "пользователь сеть" (BX10-U) передача 1260 нм к 1360 нм |
| Двойное волокно | | 1000BASE-LX, 5km, и 1000 BASE-LX10, 10км устойчивость к температуре | передача длина волны, 1260 нм до 1360 нм, совместим с большинством SONET/SDHOC-3/STM-1 приемопередатчиками |
Локальная сеть Ethernet Первой Мили по Пассивным Оптическим Сетям (EFMP)
Локальная сеть Ethernet Первой Мили по Пассивной Оптической Сети (EFMP) определяет рекомендации реализации Локальной сети Ethernet от точки -ко -многим точкам, по одномодовому волокну (SMF G 652) со скоростью в 1 Гбит/c на расстояние до 20 км. EFMP предусматривает использование пассивных оптических компонентов в сети доступа, которая называется Пассивная Оптическая Сеть Ethernet (EPON).
Метод передачи от точки ко -многим точкам, иногда упоминаемый как пассивный вариант 1:n, позволяет множество абонентских оптических волокон мультиплексировать в поток "пользователь сеть" через единственное волокно, часто называемое "волокно пучка каналов". Это позволяет применять оптический кабель в жилых районах на большие расстояния при боле низкой стоимости, чем в других случаях.
Спецификация ИИЭР 802.3ah для EPON определяет:
Многоточечный Протокол Управления (MCPC –Multipoint Control Protocol),
имитация Точка-точка (P2PE – Point to Point Emulation),
два физических зависимых среды подуровня для 10-километровых и 20-километровых расстояний, используя 1490 нм лазеры для потока "сеть - пользователь" и 1310 нм лазеров для потока "пользователь сеть".
Многоточечный MCPC необходим для того, чтобы создать назначенные ширины полосы частот, опрос ширины полосы частот. EPON сети содержат оптические линейные терминалы (OLT- optical line terminal), который, обычно постоянно находятся у поставщика или в точке привязки. OLT - типичный коммутатор Локальной сети Ethernet с оптическими портами для волокна пучка каналов потока "сеть - пользователь". Данные потока "сеть - пользователь" от волокна пучка каналов к абонентам поступают в разделитель 1:n пассивного оптического, который поставляет копии всех данных по n абонентским оптическим блокам (ONU-Optical Network Unit).
Абонентское ONU идентифицировано уникально и только передаёт поток "сеть - пользователь" только по их адресам системы управления доступом к среде (MAC –Medium Access Control). Данные потока "пользователь сеть" от абонентского ONU достигают комплекта разделителя волокна пучка каналов. Там они распределяются с помощью MCPC –Multipoint Control Protocol в слоты времени и поток "пользователь сеть", который доставляют, используя многостанционный доступ с временным разделением (TDMA - Time Division Multiple Access) к оптическому линейному терминалу (OLT optical line terminal). Далее используется для потока "пользователь сеть" доступ TDMA (TIME Division Multiple Access) для передачи только одному абоненту в топологии точки – ко многим точкам.
Эта часть стандарта 802.3ah определяет две характеристики для Локальной сети на основе протокола CSMA-CD – скорость и расстояние:
EFMP 1000 Mbps SMF 10 км - Используют Локальную сеть на основе протокола CSMA-CD по одномодовому единственному волокну к пассивному оптическому разделителю (сплитеру) 1:16. Используется скорость 1000 Мбит/с (Гигабитная Локальная сеть на основе протокола CSMA-CD ). Данные передаются по принципу точка – ко - многим точкам, на расстоянии не менее 10-километров.
EFMF 1000 Mbps SMF, 20 км - Используют Локальную сеть на основе протокола CSMA-CD по одномодовому единственному волокну к пассивному оптическому разделителю (сплитеру) 1:16. Используется скорость 1000 Мбит/с (Гигабитная Локальная сеть на основе протокола CSMA-CD). Данные передаются по принципу точка – ко - многим точкам, на расстоянии не менее 20-километров.
Техническое обслуживание локальных сетей на на Первой Миле, (EFM -OAM).
Чтобы Локальная сеть была удобна для массового использования, она должна быть оборудована хорошей системой технического обслуживания, администрирования и эксплуатации OAM, т.е. автоматизированными или полуавтоматическими средствами, которые позволяют делать установку отдельных частей, контроль, и поиск неисправностей сети. В этом случае, OAM должна быть применима ко всем типам Ethernet (EFM EFMC, EFMF, и EFMP.).
Определения EFM OAM в пределах стандарта 802.3ah заимствуют часть положений существующего Простого Протокола Управления Сети (SNMP –Simple Network Management Protocol) - это основные положения по передаче информации и сигналов управления, но расширяют и приспосабливают их к управлению Локальной сетью на абонентской сети местного доступа. Это помогает контролировать, получать сообщения, производить дистанционный поиск неисправностей, проводить с испытания и так далее. Главные особенности протокола EFM OAM, которые обеспечивают надежное управление Локальной сетью на абонентском участке:
контроль рабочих характеристик соединений
обнаружение ошибки и сигнализация об ошибках
испытания по петле (loopback testing)
EFM OAM спецификация протокола определяет множество блоков данных, названных действиями, администрированием, и обслуживания (OAM – operation, administration, maintenance), выполняющие процессы OAM. Адреса медленного протокола OAM MAC (протокол эксплуатации, управления и технического обслуживания управлением доступа к среде) используется для управления протокольными блоками данных между абонентской локальной сетью и устройствами любого типа, используют ли они топологию сети EFMC, EFMF, или EFMP. Скорость такого обмена не более, чем десять OAMPDUs в секунду. Кадры OAMPDUs – абонентской Локальной сети имеют длину от 64 до 1518 байтов или октетов. OAM играет роль подслоя на уровне 2 между типовым MAC (управлением доступом к среде) и управлением логическим канальным уровнем (LLC – Logic link comtrol). Использование EFM OAM подслой является дополнительным, так что поставщики имеют выбор, чтобы использовать существующие инструменты управления сети или мигрировать к EFM OAM протоколы управления на их специфическом графике времени. EFM OAM спецификации это первый шаг в усовершенствовании управления абонентской локальной сетью в сети местного доступа.
Кабельные абонентские сети.
Структура абонентской кабельной сети.
Для широкополосной связи на абонентском участке применяются кабельные сети. Они строятся на основе коаксиальных и/или оптических кабелей. Для распределения вещательного телевидения абонентские кабельные сети применялись с 1950 года. Широкополосные передача по кабелю данных и предложение сервисов были следующими после телевидения приложениями кабельных сетей на абонентском участке. В 90-ые годы прошлого столетия промышленность и эксплуатация разработали стандарты и предложили идеи, как использовать кабель для транспортировки услуг Интернет на основе протоколов TCP/ IP.
Исторически кабельное телевидение есть сеть вещания, которая распределяет программы по потребителям. Для введения Интернет услуг требовалось только усовершенствовать передачу информации от потребителя к станции (направление "вверх"). Кабельные операторы, которых иногда называют мультисистемные операторы иногда (MSO - Multiple systems operators), как правило, используют для предложения гибридные широкополосные услуги, такие как телевидение с высокой степенью разрешения и передачу данных на высокой скорости по оптокабельным системам (HFC- Hybride Fibre-Coaxial). Для управления информацией по кабелю и расширения диапазона на концах передачи и приема систем устанавливают (рис 6.1) кабельные модемы (CMTS –Cable Termination CTMS). CMTS обеспечивает связь "вверх" от абонента к окончанию кабеля к окончанию кабеля и "вниз" от окончания кабеля к абоненту.
(рис 6.18) Абонентская кабельная сеть с применением CMTS
На рис.6.18 показана абонентская сеть с установкой системы кабельных модемов. Она состоит:
из оборудования абонента – кабельный модем и оборудование для приема речевых и видео сигналов;
соединительной уплотненной кабельной сети; кабельная сеть также содержит усилители, пассивные элементы (аттенюаторы, сплитеры, отвод, абонентские розетки).
кабельной головной станции, которая содержит: систему кабельных модемов; маршрутизатор сети Интернет, шлюз для выхода на телефонную сеть.
При соединении "вниз" такая сеть работает как обычная вещательная сеть кабельного телевидения. Она доставляет программы телевидения абонентам, где они фильтруются в соответствии с настройкой домашним модемом. Кабельный модем также отделяет речевую информацию от видео и доставляет её к оконечным устройствам. Эта информация передается по кабелю, который с помощью системы кабельных модемов уплотняется (по методу частотного разделения). При частотном разделении предусматривается и выделение обратных каналов (каналы "вверх"), которые переносят управляющую информацию от абонента в сеть Интернет – поставщика услуги. Состав кабельного модема показан на рис.6.19 .
(рис 6.19) Система кабельных модемов
Система кабельных модемов содержит:
частотный преобразователь, в задачу, которого входит преобразование цифрового сигнала в сигналы частотно уплотненного тракта. Он также может включать в себя, преобразование сигналов полученных от спутников, радиосистем и видеокамер;
шейпер (формирователь трафика) – устройство, следящее за трафиком, устанавливающая очередь пакетных потоков и управление поступающими потоками с целью нормальной работы в условиях перегрузки;
маршрутизатор – в данном случае позволяющий собирать CMTS в абонентскую сеть типа Ethernet.
Характеристики кабельной сети
В настоящее время коаксиальный кабель имеет достаточно большую ширину спектра - в сотни мегагерц. Каналы вещательного телевидения, имеющие полосу 6 МГЦ, в США размешаются в пределах от 54 МГЦ до 216 МГЦ для каналов с номерами 2 – 13 (отдельные полосы 54-72, 76-88, 174-216 МГЦ) и от470 МГЦ до 812 МГЦ для каналов с номерами 14 -70. Сегодня, в пределах ширины полосы частот 6 МГЦ, используя систему MPEG со сжатием информации, абонентское телевидение, может передать до 10 каналов цифрового видео. При полной используемой ширины полосы частот приблизительно в полосе 550 МГЦ возможно разместить до 1000 каналов телевидения. Типичное американское распределение частот в кабельной системе показано в Таблице 6.4 .
Распределение частот в кабельной системе
| Частотный диапазон(МГц) | Направление | Примеры использования |
|---|
| От 5 до 42 | Вверх | Обратный путь для передачи данных, сигналов сетевого управления согласно стандарту передачи по телевизионному кабелю (Data over Cable System Interface Specification - DOCSIS) |
| От 54 до 350 | Вниз | Широкополосное аналоговое телевидение и передача данных по стандарту DOCSIS (ширина полосы регулируется под каждого оператора) |
| От 350 до 750 | Вниз | Широкополосное цифровое телевидение и передача данных по стандарту DOCSIS (ширина полосы регулируется под каждого оператора) |
| От750 до 1000 | Вверх | В перспективе обратный путь для передачи данных, сигналов сетевого управления согласно стандарту DOCSIS |
Недавно кабельная промышленность начала выпуск нового коаксиального кабеля – кабеля, с четырехслойной оболочкой. Кабель, соответствующий требованиям широкополосной связи – RG6. Содержит проводник, диэлектрик, экран из фольги, внутренний экран-оплетку и наружную оболочку. Он обеспечивает высокую пропускную способность. Различные разновидности этого кабеля рассчитаны на частотный диапазон 1 ГГц (1000 МГЦ), 2.2 ГГц (2200 МГЦ), и 3 ГГц (3000 МГЦ). Такой кабель имеет небольшое затухание и уровень шумов. Он также позволяет прокладку под водой.
Оптический кабель улучшает большую часть кабельной сети между оператором и абонентом, увеличивая пропускную способность, надежность, и множество сервисов. HFC системы - в значительной степени улучшают условия организации распределения типа "точка – многоточие". Оптическая сеть с использованием разделения на основе длины волны (DWDM –Dense Wavelength Distribution Division Multiplexing) позволяет операторам сегментировать HFC системы в более логичную систему, что улучшает безопасность, и предлагать более высокую ширину полосы частот каждому пользователю.
Обслуживание потока "вверх"
Данные потока "пользователь-сеть" (вверх), в настоящее время для уменьшенных требований ширины полосы частот, помещены в окно 2 МГц, в частотной полосе 5 - 42 МГц. Поскольку в направлении потока "пользователь сеть" более узкая ширина полосы частот, то используется для передачи технология TDM. Это разделение по времени хорошо работает для очень коротких команд, запросов, и передачи адресов, что составляет большую часть потока "пользователь сеть" для большинства пользователей к CMTS при связи с Интернет.
CMTS обычно поддерживает зону до 1000 Интернет кабельных модемов с шириной канала 6 МГЦ. Один канал на 6 МГЦ может обеспечить, в зависимости от типа модуляции, пропускную способность приблизительно 30 мгбит/с (QAM-64 модуляция) 40 мгбит/с (QAM-256 модуляция). Эта пропускная способность может быть разделена между соседними абонентами и может изменять рабочие характеристики, в зависимости от поведения других абонентов, работающих в режиме "онлайн". Хорошее свойство кабельной системы, что поставщик кабеля может образовать новый канал, разделяя старые каналы. Этим он может решить возникающую конкретную проблему изменения рабочих характеристик. Большинство поставщиков кабеля регулярно контролирует рабочие характеристики и добавляет другой канал, когда пользователь достигает некоторого порога нагрузки.
Кабельные стандарты.
Связь абонентов кабельной сети с системой кабельных модемов определяется стандартом Спецификации Интерфейса Передачи Данных по ТВ кабелю (DOCSIS -Data over Cable Service Interface Specification). Этот стандарт предназначен для передачи и обслуживания, систем кабельных операторов, таких как сеть, применяющая кабельные модемы, в доме или офисе, чтобы поддержать двунаправленную передачу данных через кабельную сеть. Стандарт DOCSIS был принят в 1999 году.
Сеть по стандарту DOCSIS - это широкополосная кабельная сеть, предназначенная для передачи данных и речи. Кабельные операторы могут применяющие DOCSIS, сопрягаются с опто - коаксиальными сетями на основе стандартов HFC на основе центров кабельных модемов, что понизить затраты на предоставление услуг передачи речи (VoIP) или для комплексных услуг, связанных передачей голоса, данных, и услуг кабельного телевидения абонентам. При этом мультиоператоры могут отделить себя от поставщиков телесвязи, и могут эффективно конкурировать с телефонными компаниями или поставщиками спутникового телевидения. В настоящее время известны следующие стандарты:
DOCSIS 1.0
DOCSIS 1.1
DOCSIS 2.0
DOCSIS 3.0
Euro DOCSIS
Характеристики, определяемые стандартами DOCSIS 1.x и DOCSIS 2.0 приведены в табл.6.5. Поскольку усовершенствования стандарта от DOCSIS 1.x к DOCSIS 2.0 касались только направления вверх (upstream), в таблице приведены характеристики этого направления.
Основные характеристики стандартов DOCSIS 1.x и DOCSIS 2.0 (направление "вверх")
| Свойства | DOCSIS 1.x | DOCSIS 2.0 |
|---|
| A-TDMA | S-СDMA |
| Техника мультиплексирования | Доступ с частотным разделением (FDMA)/ доступ с временным разделением (TDMA) | FDMA/ TDMA | TDMA/S-CDMA |
| Символьная скорость(ксим/сек) | 160, 32, 640, 1280, 2560 | 160, 32, 640, 1280, 2560, 5120 | 1280, 2560, 5120 |
| Тип модуляции | Квадратурно-фазовая манипуляция (QPSK) 16 -QAM | QPSK,8-QAM,16-QAM,32-QAM,64-QAM | QPSK, 8-QAM, 16-QAM,32-QAM, 64-QAM, 128 –QAM (модуляция с решетчатым кодированием – TCM) |
| Спектральная эффективность (бит/сим) | 2 или 4 | 2 до 6 | 1 до 6 |
| Система упреждающей коррекции ошибок (FEC) | RС (R=1 до 10)* | RС (R=1 до 16)* | RС (R=1 до 16)* |
| | | |
| Эквалайзер | 8 полосный | 24- полосный | 24- полосный |
| Перемежение блоков | Нет | Есть | Нет |
| Битовая скорость (Мбит/c) | 0,32 до 10,24 | 0,32 до 10,24 | 2,56 до 30,72 |
( ($$RC$$ – код Рида –Соломона, $$R$$ – число исправляемых битов)
Можно заметить, что в таблице 6.5 для DOCSIS 1x приводится один вариант сети связи, а для DOCSIS 2.0 два варианта A - TDMA (Advanced Time Division Multiplexing Access) и радио вариант S-CDMA (вариант системы множественного доступа с кодовым разделением). A-TDMA представляет собой обычный вариант временного разделения, когда каждый канал от модема образуется путем выделения временного слота. Усовершенствование по сравнению с DOCSIS 1x состоит в том, что в нем предусмотрена скорость формирование канала вдвое большего канала шириной 6,4 МГц, и дополнительно разрешается применение способов квадратурной модуляции (8-QAM, 32- QAM и 64 - QAM). При этом 64- QAM является обязательной, а 8-QAM, 32- QAM применяются для регулировки скоростей.
Для устранения ошибок используется код Рида – Соломона в DOCSIS 1x с длиной контрольного блока 10 байт, а в DOCSIS 2.0 16 байт (см. раздел 4.9). DOCSIS 1.1 включает в себя следующие услуги:
(Безопасность - DOCSIS 1.1 обеспечивает основные механизмы безопасности, которые позволяют индивидуальному пользователю сохранять информационную безопасность в рамках общего кабельной сети. Меры безопасности предоставляют ключи шифрования, которые защищают информацию между оконечным оборудованием CMTS и абонентским кабельным модемом. Также добавляются механизмы охраны и фильтрации, чтобы смягчить риск атак при рассылке широковещательных сообщений на абонентских кабельных модемах и опознавать зарегистрированных пользователей кабельной системы.
Соглашения об Уровне обслуживания – Это механизмы, которые часто требуются деловым пользователям. Соглашение о качестве обслуживания фиксирует коэффициент качества обслуживания и гарантируют пользователю необходимую ширину полосы частот, а также применение различных приоритетов между данными, видео, или речевым приложениями. Соглашение может также поддержать мультимедийные игры и видео услуги, конференц-связь при асимметричной доставке.
Качественная междугородняя голосовая связь VoIP - это способность поставлять междугородние VoIP услуги при наличии перегрузки и гарантии качества обслуживания.
Групповая рассылка IP - групповая рассылка IP обеспечивает поддержку в реальном масштабе времени потока видео IP.
В DOCSIS 2.0 для уменьшения числа ошибок применяется перемежение - "интерливинг".
Для борьбы с искажениями при распространении применяются выравниватели - эквалайзеры. При этом в DOCSIS 1x применяется 8-ми полосный выравниватель, в DOCSIS 2.0 24-х полосный. Представленные в таблице данные показывают, что режиме временного доступа TDMA предлагается максимальная скорость от 0, 32 до 10, 24 мбит / с. При использовании кодового доступа максимальная скорость возрастает от 2,56 до 30,72 Мбит/с.
Как мы знаем, режим TDMA предоставляет пользователям доступ в определенных временных слотах, а режим CDMA в определенных кодовых расширениях. Режим FDMA дает возможность формирования каналов в соответствии с частотным диапазоном.
Стандарты кабельного модема появились в Европе в виде стандарта Euro-DOCSIS , по существу повторяющего DOCSIS 1.0 и ссылающегося на этот стандарт. Главное различие стандартом между DOCSIS, 1.0 и Euro-DOCSIS - это то, что Европа использует полосы пропускания в канал 8 МГЦ в противоположность Североамериканскому стандарту, использующему 6 МГц.
DOCSIS 2.0 основывается на DOCSIS, 1.1 способности и эффективно применяет последние достижения цифровой модуляции для увеличения ширины полосы частот потока "пользователь сеть". Он повышает пропускную способность три раза по сравнению с DOCSIS 1.1 и в шесть раз по сравнению DOCSIS 1.0. Это стандарт позволяет достичь двусторонней скорости передачи более 30 Мбит/c в обоих направлениях.
Увеличение пропускной способности потока "пользователь сеть (направление "вверх") долго было мечтой о кабельных системных операторов (MSO). Большая пропускная способность потока "пользователь сеть" (направление "вверх") делает возможным, предоставление дополнительных услуг предприятиям и рынку мелкого бизнеса. Требования для большой двусторонней производительности нужны для организации таких приложений, как VoIP, видеоконференция, одно-ранговой децентрализованной сети (per-to-per) организацией сети, и игры.
DOCSIS 3.0. позволяет "связывать" несколько физических каналов в один логический. Пакеты, принадлежащие одной службе могут рассылаться по всем объединенным физическим каналам.. При этом скорость передачи возрастает до 120 Мбит/с (или 160 мбит/c для EuroDOCSIS).
Стандарт также указывает на возможность применения современной системы шифрования AES. .
В нем определена групповая рассылка информации, поддержка назначенного качества связи и другие службы.
Packet Cable
PacketCable – совокупность стандартов для сетей кабельных модемов. Они разработаны по инициативе Лаборатории CableLabs. Цель этих соглашений развить архитектуру сети для доставки двухсторонних мультимедийных услуг в реальном масштабе времени из "конца в конец", основанных на протоколах IP. Packet Cable использует механизмы DOCSIS 1.1, но расширяет их за счет ряда протоколов, используемых за пределами кабельной сети, например, в Интернете или телефонной сети общего пользования. Реальный масштаб времени предполагает услуги: VoIP, поток видео, и групповые рассылки IP. Эти функции включают обслуживание абонентских устройств, сигнализацию, администрирование телефонных потоков, обеспечение взаимодействия с телефонной сетью общего пользования, поддержку биллинга, услуг передачи сообщений, безопасности, QoS и многое другое.
Особое внимание уделяется в PacketCable услугам VoIP . В этих стандартах центральное место занимает обеспечение "тройной услуги"(triple play) - видео, данных, и речевого обслуживания. Несмотря на то, что спецификация PacketCable multimedia разработана на базе PacketCable 1.x, для организации мультимедийных сетей не обязательно повторять всю архитектуру, необходимую для передачи VoIP. Операторы могут внедрить только телефонию или только мультимедиа, или же в одной сети могут сосуществовать оба режима. PacketCable базируется на основе систем кабельной сети DOCSIS 1 .1-и для DOCSIS 2.0. пакет спецификаций. PacketCable позволяет создать законченные решения для передачи трафика, который отправляется из кабельной сети или принимается в ней. Его использование упрощает задачу предоставления мультимедийных услуг через инфраструктуру, в состав которой входят разноплановые сети.
Составляющие сети PacketCable
Часть компонентов сети PacketCable входит в состав базовой сети DOCSIS 1.1. Другую часть составляют дополнительные компоненты, позволяющие сформировать целостную инфраструктуру установки соединений. Когда возможно, в PacketCable применяются уже существующие протоколы.
(рис 6.20) СетьPacketCable
Сеть включает следующие компоненты (рис 6.19):
Кабельный модем стандарта DOCSIS 1.1/2.0. Эти стандарты поддерживают QoS динамических потоков DQOS, необходимую для работы Packet Cable.
CMTS стандарта DOCSIS 1.1/2.0
Оконечный мультимедийный адаптер MTA multimedia terminal adapter) — абонентское устройство, подключаемое к телефону или другому оконечному устройству сети PacketCable. Спецификация определяет два типа MTA — интегрированный с кабельным модемом или отдельный. Последний подключается к кабельной сети с помощью кабельного модема DOCSIS 1.1(2.0).
Сервер администрирования соединений CMS (Call Management Server) — головной сервер, обеспечивающий формирование сигнализации, позволяющей абонентским MTA устанавливать связь между собой. CMS использует протокол NCS (Network-based call signalling), который обеспечивает идентификацию и авторизацию MTA, маршрутизацию потока и поддерживает некоторые особые функции типа трехстороннего соединения. В зависимости от размера и сложности, сеть Packet Cable может включать несколько CMS серверов.
Шлюзовой контролер (GC- Gate Controller) — центральный сервер, управляющий работой входных шлюзов сети PacketCable. Он проверяет, имеет ли абонентский адаптер право на использование требуемых сетевых ресурсов, после чего отдает CMTS команду сформировать шлюзы для прохождения услуги. GC ответствен также за координацию работы двух комплектов шлюзов формируемых для установки. Шлюзовой контроллер может быть реализован на том же сервере, что и сервер администрирования соединений. Cеть PacketCable может включать несколько GC, но определенным соединением всегда управляет только один сервер.
Сервер фиксации соединений (RKS — Record keeping server) — сервер, предназначенный для сбора информации о соединениях и расположенный между сетью Packet Cable и серверами обработки информации о соединениях, в первую очередь биллинговым сервером. Для сбора необходимой информации у CMTS и других серверов PacketCable RKS использует протокол RADIUS (Remote Authentication Dial-Up User Service). Архитектурные особенности PacketCable могут быть отражены следующими свойствами:
Такое же или лучшее качество речи, чем в коммутируемой телефонной сети общего пользования (PSTN)- путем применения соответствующего кодирования высокого качества, и одновременно уменьшение задержки и фазовых дрожаний. Модель DQoS, обеспечивает резервирование пропускной полосы в магистрали и обеих конечных точках только на время соединения. По его окончании ресурсы сразу освобождаются для других услуг.
PacketCable позволяет кабельным операторам предоставлять не только передачу данных и мультимедийные услуги в реальном масштабе времени, согласуя их передачу по всей задействованной инфраструктуре. Эти услуги могут охватывать базовые функции телефонии, включать ее расширенные возможности или предусматривать широкий спектр мультимедийных услуг. Широкое распространение IP в качестве стандартного транспортного механизма в сетях передачи данных создает условия для реализации современных Интернет-приложений, таких как мультимедийная электронная почта, чаты в реальном времени, потоковые медиауслуги (включая музыку и видео) и видеоконференции. PacketCable позволяет кабельным операторам реализовать сетевую архитектуру для быстрой и экономичной доставки этих услуг, сильно расширив функциональные возможности своей сети.
В дополнение качеству речи, другое ключевое требование обеспечение для потребителя всех функциональных возможностей Коммутируемой Телефонной Сети Общего Пользования (PSTN). Это также требует предоставления надежности и избыточности сетевых компонентов, чтобы получить коэффициент готовности сети не менее 0,99999.
Система сигнализации Сигнализации процесса установления вызова -Packet Cable – должна быть такая, чтобы поддержать установление вызовов между кабельной сетью и Коммутируемой Телефонной Сетью Общего Пользования (PSTN) при местных, междугородних и международных вызовах, должна обеспечивать и дополнительные виды обслуживания, такие как, например, ждущий вызов и запрос номера, вызывающего абонента.
Распределенное Качество обслуживания - PacketCable включает стандарты распределения Качества обслуживания при обращении к сети, приоритетных абонентов, для которых можно будет изменять качество обслуживания в процессе обслуживания вызова, например, службы спасения, справочные службы. Одной из важнейших функциональных особенностей сети PacketCable является динамическое обеспечение требуемого качества услуг (DQoS). Эта функция аналогична DQoS, поддерживаемому DOCSIS 1.1, с тем исключением, что DOCSIS 1.1 позволяет использовать DQOS для авторизации и прохождения услуги в кабельной сети, но не резервирует ресурсы для ее передачи по всей инфраструктуре. Расширение действия DQOS на все каналы прохождения услуги позволяет гарантировать доставку услуги с требуемым качеством и препятствует ее несанкционированному использованию другими лицами.
Системы наблюдения и обслуживания – при связи с Коммутируемой Телефонной Сети Общего Пользования (PSTN) функциональные возможности включают системы, способные к наблюдению и управлению потенциально миллионами Серверов Управления Вызовом вызова абонентов (CMS - Call Management Server), Мультимедийными Оконечными согласующими устройствами (адаптерами – MTA- Multimedia Terminal Adapter), Управляющими устройствами шлюзов (MGC – Media Gateway Controller), и приемо-передающими управляющими устройствами (Signaling Controller) для связи с Коммутируемой Телефонной Сетью Общего Пользования (PSTN). Для эффективной работы PacketCable требуются операционные системы и управление сетью такие как, например, - также ключ, так что множество управляющих систем и систем учета нагрузки оплаты.
Безопасность и регулирующее наблюдение - эти меры требуются такие же или более серьезные меры, чем для сети общего пользования. Архитектура PacketCable позволяет реализовать требования акта CALEA (Сommunucations Assistance for Law Act) о предоставлении телекоммуникационных транспортных структур для помощи правоохранительным организациям в проведении розыскных работ, санкционированных судом.
PacketCable позволяет предоставлять им информацию двух типов:
Идентификационные сведения: сеть может предоставить идентификационые сведения о входящих и исходящих соединениях интересующей точки.
Содержание: сеть может предоставить сведения о содержании информации, переданной во время соединения, иначе говоря, полную запись разговора.
Так как сеть PacketCable работает поверх DOCSIS 1.1, на нее распространяются все механизмы безопасности, предусмотренные DOCSIS 1.1. Кроме того, спецификации PacketCable регламентируют использование современного протокола шифровки AES (Advanced Encryption Standard), который в конце 2001-го года был принят в США качестве стандарта для защиты коммерческих услуг, предоставляемых в частных сетях. Степень защиты информации, предусмотренная спецификацией PacketCable, аналогична реализуемой в телефонных сетях общего пользования. спецификацией PacketCable, аналогична реализуемой в телефонных сетях общего пользования.
Притом что DOCSIS в гибридной сети и сети PacketCable предоставляют многофункциональные услуги. Операторы кабельной сети могут предложить услуги IP по стоимости меньшей, по сравнению с общедоступной сетью PSTN, с добавлением новых услуг.
Пример оборудования CMTS - System CISCO uBR10012. Это серия маршрутизаторов CMTS, которая поддерживает спецификации DOCSIS 1.1, Евро DOCSIS 1.1, и PacketCable 1.0. Полностью нагруженный, блок содержит 12 слотов. Он рассчитан на поддержку свыше 44 000 пользователей. Он использует 8 плат линейного комплекта, с резервными процессорами через два слота и резервной синхронизацией платы управления тактовыми генераторами. Есть четыре быстродействующих WAN порта для к сети IP и внешние сетевые подключения, а также поддержка динамической транспортировке пакетов OC 48 соединений потока "пользователь сеть". Две из этих систем вписываются в Telco семифутовую стойку. Основной офис концентратора мог бы иметь один или более CMTS в зависимости от намерений оператора.
Packet Cable использует механизмы DOCSIS 1.1, но расширяет их за счет ряда протоколов, используемых за пределами кабельной сети, например, в Интернете или телефонной сети общего пользования.
[Спецификации Packet Cable и её задачи в сетях DOCSIS 1]
На сегодняшний день выпущено 4 комплекта спецификаций PacketCable — 1.0, 1.1, 1.2 и PacketCable multimedia.
Спецификации PacketCable 1.х охватывают практически все аспекты доставки услуг бытовой телефонии с использованием техники VoIP. Эти функции включают обслуживание абонентских устройств, сигнализацию, администрирование телефонных потоков, обеспечение взаимодействия с телефонной сетью общего пользования, поддержку биллинга, услуг передачи сообщений, безопасности, QoS и многое другое.
Платформа PacketCable multimedia расширяет базовые возможности PacketCable 1.X для предоставления более широкого спектра IP-услуг, от видео по требованию и интерактивных игр до дистанционного управления и телеметрии.
Несмотря на то, что спецификация PacketCable multimedia разработана на базе PacketCable 1.x, для организации мультимедийных сетей не обязательно повторять всю архитектуру, необходимую для передачи VoIP. Операторы могут внедрить только телефонию или только мультимедиа, или же в одной сети могут сосуществовать оба режима.
Таким образом, пакет спецификаций PacketCable позволяет создать законченные решения для передачи трафика, который отправляется из кабельной сети или принимается в ней. Его использование упрощает задачу предоставления мультимедийных услуг через инфраструктуру, в состав которой входят разноплановые сети.
Динамическое обеспечение качества услуг
Одной из важнейших функциональных особенностей сети PacketCable является динамическое обеспечение требуемого качества услуг (DQoS). Эта функция аналогична DQoS, поддерживаемому DOCSIS 1.1, с тем исключением, что DOCSIS 1.1 позволяет использовать DQOS для авторизации и прохождения услуги в кабельной сети, но не резервирует ресурсы для ее передачи по всей инфраструктуре.
Расширение действия DQoS на все каналы прохождения услуги позволяет гарантировать доставку услуги с требуемым качеством и препятствует ее несанкционированному использованию другими лицами.
Резервирование ресурсов в рамках PacketCable 1.X может быть реализовано только в сети с DOCSIS с версией не ниже 1.1. В качестве опции для MTA, не интегрированных с модемами, может использоваться протокол RSVP (Resource Reservation Protocol).
Двухэтапная процедура резервирования ресурсов
Модель DQOS, регламентируемая PacketCable, предусматривает двухэтапную процедуру резервирования, при которой сначала резервируются ресурсы, а затем активизируется выполнение услуги. Предварительная процедура резервирования позволяет убедиться, что ресурсы, необходимые для установления соединения, имеются с обеих сторон.
Краткие итоги
Локальная сеть Ethernet — наиболее широко используемый протокол локальной вычислительной сети.
Традиционная Локальная сеть Ethernet использует CSMA/CD (множественный доступ с опросом несущей и разрешением конфликтов) со скоростью данных 10 Mbps и доменом конфликта 2500 метров.
Каждая станция имеет равное право на среду (коллективный доступ): если в среде нет данных, станция может начать передачу данных; если две станции, следящие за средой, находят, что она не занята, и начинают посылать данные, возникает конфликт, называемый коллизией.
Уровень звена передачи данных Локальной сети Ethernet состоит из подуровня LLC (управления логической связью) и подуровня MAC (управления средой доступа).
Подуровень управления средой доступа несет ответственность за работу CSMA/CD (множественного доступа с опросом несущей и разрешением конфликтов).
Подключающие устройства могут соединять вместе сегменты сети; они могут также соединять вместе сети, чтобы создать Internet.
Есть пять типов подключающих устройств: ретрансляторы, концентраторы, мосты, маршрутизаторы и коммутаторы.
Ретрансляторы восстанавливают сигнал на физическом уровне.
Концентратор — многовходовой ретранслятор.
Мосты имеют доступ к станционной адресации и могут отправлять или фильтровать сетевые пакеты. Они работают на физическом уровне и уровне линии звена передачи данных.
Маршрутизаторы определяют путь, который должен пройти пакет. Они работают на физическом уровне и уровне линии звена передачи данных.
Коммутатор уровня два — сложный мост; коммутатор уровня три - сложный маршрутизатор.
Каждая станция на Ethernet имеет уникальный адрес на 48 битов, закрепленный на её интерфейсной сетевой карте (NIC).
Обычная реализация 10-Mbps Ethernet — 10BASE5, 10BASE2, 10BASE-T и 10BASE-FL.
Быстрый Ethernet — CSMA/CD со скоростью передачи данных 100 Mbps и области разрешения конфликтов 250 метров.
Обычная реализация быстрой Локальной сети Ethernet — 100BASETX, 100BASE-FX и 100BASE-T4.
Локальная гигабитная сеть Ethernet имеет скорость передачи данных 1000 Mbps. Обычная реализация — 1000BASE-SX, 1000BASE-LX, и 1000BASE-T.
Сеть Ethernet первой мили обеспечивает связь для абонентского доступа по медным проводам (EFM-C) -на короткие и большие расстояния, по оптическому волокну в режиме "точка – точка" и "от точки ко многим точкам".
Для широкополосной связи на абонентском участке применяются кабельные сети. Они строятся на основе коаксиальных и/или оптических кабелей. Широкополосные передача по кабелю данных и предложение сервисов были следующими после телевидения приложениями кабельных сетей на абонентском участке.
Кабельное телевидение есть сеть вещания, которая распределяет программы по потребителям.
Для управления информацией по кабелю и расширения диапазона на концах передачи и приема систем устанавливают (рис 3.1) кабельные модемы (CMTS –Cable Termination CTMS).
Абонентская сеть с установкой системы кабельных модемов при соединении "вниз" такая сеть работает как обычная вещательная сеть кабельного телевидения.
При частотном разделении предусматривается и выделение обратных каналов (каналы "вверх"), которые переносят управляющую информацию от абонента в сеть Интернет – поставщика услуги.
Данные потока "пользователь-сеть" (вверх), в настоящее время для уменьшенных требований ширины полосы частот, помещены в окно 2 МГц, частотной полосе на 5 - 42 МГц.
Связь абонентов кабельной сети с системой кабельных модемов определяется стандартом Спецификации Интерфейса Передачи Данных по ТВ кабелю (DOCSIS -Data over Cable Service Interface Specification).
Сеть по стандарту DOCSIS - это кабеля широкополосная кабельная сеть, предназначенная для передачи данных и речи. Кабельные операторы могут применяющие DOCSIS, сопрягаются с опто коаксиальными сетями на основе стандартов HFC на основе центров. При этом мультиоператоры могут отделить себя от поставщиков телесвязи, и могут эффективно конкурировать с телефонными компаниями или поставщиками спутникового телевидения.
DOCSIS 1.1 включает в себя следующие услуги: безопасность, соглашения об Уровне обслуживания, качественная междугородняя голосовая связь VoIP , групповая рассылка IP.
DOCSIS 2.0 основывается на DOCSIS, 1.1 способности, эффективно применяет последние достижения цифровой модуляции для увеличения ширины полосы частот потока "пользователь сеть". Он повышает пропускную способность три раза по сравнению с DOCSIS 1.1 и в шесть раз по сравнению DOCSIS 1.0.
DOCSIS 3.0. позволяет "связывать" несколько физических каналов в один логический. Пакеты, принадлежащие одной службе могут рассылаться по всем объединенным физическим каналам.. При этом скорость передачи возрастает до 120 Мбит/с (или 160 мбит/c для EuroDOCSIS).
PacketCable – совокупность стандартов для сетей кабельных модемов. Они разработаны по инициативе Лаборатории CableLabs. Цель этих соглашений развить архитектуру сети для доставки двухсторонних мультимедийных услуг в реальном масштабе времени из "конца в конец", основанных на протоколах IP.
PacketCable базируется на основе систем кабельной сети DOCSIS 1 .1-и для DOCSIS 2.0. пакет спецификаций. PacketCable позволяет создать законченные решения для передачи трафика, который отправляется из кабельной сети или принимается в ней.
Сеть включает следующие компоненты: кабельный модем стандарта DOCSIS 1.1/2.0, CMTS стандарта DOCSIS 1.1/2.0, оконечный мультимедийный адаптер, сервер администрирования соединений, шлюзовой контролер, сервер фиксации соединений.
Одной из важнейших функциональных особенностей сети PacketCable является динамическое обеспечение требуемого качества услуг (DQoS). действия DQOS на все каналы прохождения услуги позволяет гарантировать доставку услуги с требуемым качеством и препятствует ее несанкционированному использованию другими лицами.
Задачи и упражнения
Что такое коллизия?
Предположим, что поступает большая нагрузка (трафик) на локальную сеть, использующую множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий, и кольцевую локальную сеть (Token Ring). В какой системе будет большая вероятность долгого времени передачи кадра? Почему?
Почему кадр в локальной сети Ethernet должен иметь минимальный размер?
Предположим, что длина кабеля в системе 10BASE5 2500 м. Если скорость распространения в тонком коаксиальном кабеле 200 000 км/с, какое время требуется для того, чтобы один бит переместился от начала сети к концу? Любые задержки в оборудовании не учитываются.
Используйте данные упражнения 4, чтобы найти максимальное время для обнаружения коллизии (конфликта) в наихудшем случае. Это случай, когда данные посылаются с одного конца кабеля, а коллизия происходит на другом конце. Помните, что сигналу надо пройти туда и обратно.
Скорость передачи данных 10BASE5 — 10 Мбит/с. Сколько времени понадобится, чтобы передать наименьший кадр? Подтвердите это расчетом.
Используйте данные упражнений 5 и 6, чтобы найти минимальный размер кадра Ethernet для номинальной работы при обнаружении коллизий.
Подуровень управления доступа к среде (MAC) Ethernet получает 42 байта от подуровня управления логическим каналом (LLC). Сколько байт заполнения должно быть добавлено к данным?
Подуровень управления доступа к среде (MAC) Ethernet получает 1510 байт от подуровня логического управления линией (LLC). Могут ли данные быть вставлены в кадр? Если нет, то, сколько кадров надо послать? Какова длина размера данных в каждом кадре?
Основы технологии Ethernet
Технология , , , , , , — это самая распространенная технология локальных сетей. В сетях Ethernet применяется множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий (Carrier Sense Multiply Access with Collision Detection — CSMA/CD). Все компьютеры сети имеют доступ к общей шине через встроенный в каждый компьютер сетевой адаптер, используя полудуплексный режим передачи. Схема подключения компьютеров по коаксиальному кабелю приведена на рис.6.1.
(рис 6.1) Сеть Ethernet на коаксиальном кабеле (стандарты 10Base-5/10Base-2)
Станции на традиционной локальной сети Ethernet могут быть соединены вместе, используя физическую шину или звездную топологию, но логическая топология — всегда шинная. Под этим мы подразумеваем, что среда (канал) разделена между станциями и только одна станция одновременно может использовать ее. Также подразумевается, что все станции получают кадр, посланный станцией (широковещательная передача). Адресованный пункт назначения сохраняет кадр, в то время как остальные отбрасывают ее. Каким образом в этой ситуации мы можем убедиться, что две станции не используют среду в одно и то же время? Ответ: если их кадры столкнутся друг с другом. CSMA/CD разработан, чтобы решить эту проблему согласно следующим принципам:
Каждая станция имеет равное право на среду (коллективный доступ).
Каждая станция, имеющая кадр для того, чтобы послать его, сначала "слушает" (отслеживает) среду. Если в среде нет данных, станция может начать передачу (слежение за несущей частотой).
Может случиться, что две станции, следящие за средой, находят, что она не занята, и начинают посылать данные. В этом случае возникает конфликт, называемый коллизией.
Протокол заставляет станцию продолжать следить за линией после того, как передача началась. Если есть конфликт, то все станции его обнаруживают, каждая передающая станция передает сигнал сбоя в работе, чтобы уничтожить данные линии, и после этого каждый раз ждет различное случайное время для новой попытки. Случайные времена предотвращают одновременную повторную посылку данных. Перед началом передачи узел должен убедиться, что несущая среда не занята, признаком чего является отсутствие на ней несущей частоты. Если среда свободна, то узел имеет право начать передачу кадра определенного формата. Предположим, что узлу 2 требуется передать кадр узлу N. Обнаружив, что среда свободна, узел 2 начинает передачу кадра (рис 6.2), которая предваряется не показано). Сигналы передатчика распространяются по кабелю в обе стороны, и все узлы распознают начало передачи кадра. Только узел N опознает свой собственный адрес (МАС-адрес назначения) в начале кадра и записывает его содержимое в свой буфер для обработки. Из принятого кадра определяется адрес источника (МАС-адрес источника), которому следует выслать кадр-ответ. Получатель пакета на 3-м уровне определяется в соответствии с полем ), цифрами обозначены длины полей кадра в байтах.
Любой узел при наличии кадра к передаче и занятой среды вынужден ждать ее освобождения. Признаком окончания передачи является пропадание несущей частоты. После окончания передачи кадра все узлы должны выдержать технологическую паузу 9,6 мкс, чтобы привести сетевые адаптеры в исходное состояние и предотвратить повторный захват среды одним и тем же узлом.
(рис 6.2) Местоположение в стеке протоколов и форматы физического и канального уровней сети Ethernet
Иногда возникают ситуации, когда один узел уже начал передачу, но другой узел еще не успел это обнаружить и также начинает передачу своего кадра. Такая ситуация захвата свободной среды более чем одним узлом называется ):
(рис 6.3) Обмен сигналами при возникновении коллизии
Если уровень принимаемого сигнала не превышает порогового значения, то узел продолжает передачу, если же превышает, то узел прекращает передачу кадра и посылает в сеть специальную 32-битную jam-комбинацию (сигнал коллизии) с нерегламентированной последовательностью, просто приводящей к повышению уровня сигнала в локальной сети из-за увеличения амплитуды импульсов манчестерского кода суммарного сигнала. После этого узел, обнаруживший коллизию, делает случайную паузу и затем снова может повторить попытку передачи кадра. Число повторных попыток не может превысить 16. Если же и после 16-й попытки кадр вызвал коллизию, то он отбрасывается. При большом количестве узлов вероятность коллизии возрастает, и пропускная способность сети Ethernet падает, т.к. сеть все большее время занята обработками коллизий и отбрасыванием кадров. Три фактора определяют работу CSMA/CD: минимальная длина кадра, скорость передачи данных и домен конфликта.
Станции нужно ждать определенное время, чтобы убедиться, что на линии нет никаких данных, — это время равно минимальной длине кадра, разделенной на скорость передачи (время, которое требуется, чтобы передать кадр минимальной длины), и пропорционально времени, необходимому для первого бита, чтобы пройти максимальное сетевое расстояние (домен конфликта). Другими словами, мы имеем:
Минимальная длина кадра/Скорости передачи
пропорциональна
Домен конфликта/Скорость Распространения
В традиционной Локальной сети Ethernet, минимальная длина кадра — 520 битов, скорость передачи — 10 Mбит/с, скорость распространения — почти равна скорости света, и домен конфликта — около 2500 метров.
показывает уровни Локальной сети Ethernet. Уровень звена передачи данных (канальный уровень) имеет два подуровня: подуровень управления логическим каналом связи (LLC — Logical Link Control) и подуровень управления доступом (MAC - Media Access Control). LLC-уровень ответственен за поток и контроль ошибок в уровне звена передачи данных (канальном уровне). Подуровень MAC ответственен за работу метода доступа CSMA/CD. Этот подуровень также создает данные, полученные от LLC-уровня, и передает кадры физическому уровню для кодирования. Физический уровень преобразует данные в электрические сигналы и посылает их следующей станции через среду передачи. Этот основной уровень также обнаруживает конфликты и сообщает о них уровню звена передачи данных (канальному уровню).
(рис 6.4) Уровни Ethernet
Кадр. В сети Ethernet имеется один тип кадра [5], содержащий семь полей: преамбула, начало кадра - SFD, адрес конечного пункта - DA, адрес источника - SA, длина/тип протокольной единицы — PDU и циклический избыточный код. Локальная сеть Ethernet не обеспечивает механизма для подтверждения получения кадров. Подтверждение реализуется на более высоких уровнях. Формат кадра CSMA/CD MAC показан на рис.6.5.
(рис 6.5) Кадр Ethernet
Преамбула. Преамбула кадров содержит 7 байтов (56 битов) чередующихся нулей и единиц, которые приводят в готовность систему для приема прибывающего кадра и подготавливают ее для синхронизации с помощью тактовых импульсов. Преамбула фактически добавляется на физическом уровне и не является (формально) частью кадра.
Ограничитель начала кадра (SFD — Start Frame Delimiter). Поле SFD (1 байт: 10101011) отмечает начало кадра и указывает станции на окончание синхронизации. Последние два бита — 11 (две единцы) — сигнал, что следующее поле — адрес получателя.
Адрес получателя (DA — Destination Address). Поле DA насчитывает 6 байтов и содержит физический адрес станции пункта назначения или промежуточного звена.
Исходный адрес (SA — Source Address). Поле SA также насчитывает 6 байтов и содержит физический адрес передающей или промежуточной станции.
Длина/тип. Поле длина / тип имеет одно из двух значений. Если значение поля меньше, чем 1518, это — поле длины и определяет длину поля данных, которое следует дальше. Если значение этого поля больше, чем 1536, оно определяет верхний протокол уровня, который используется для обслуживания Internet.
Данные. Поле данных переносит данные, инкапсулированные из верхних протоколов уровня. Это минимум 46 и максимум 1500байтов.
Циклический избыточный код (CRC — Cyclical Redundancy Check). Последнее поле в этих кадрах по стандарту 802.3 содержит информацию для обнаружения ошибок, в этом случае CRC — 32.
Адресация. Каждая станция типа PC, рабочая станция или принтер на сети Локальной сети Ethernet имеет ее собственную сетевую интерфейсную карту (NIC — Network Interface Card). NIC размещается внутри станции и обеспечивает станцию 6-байтовым физическим адресом. Адрес Локальной сети Ethernet — 6 байтов (48 битов), он обычно записывается в шестнадцатеричной системе обозначений с дефисом, чтобы отделить байты, как показано ниже:
$$07-01-02-01-2C-4B$$
Адреса в Локальной сети Ethernet передают байт за байтом, слева направо, однако для каждого байта самый младший бит передают первым, а самый старший бит — последним. Есть три типа адресов в Локальной сети Ethernet: однонаправленный, групповая рассылка и передача. Исходный адрес всегда однонаправленный. Адрес получателя может быть однонаправленным адресом (один единственный получатель), групповой рассылкой (группа получателей) или широковещательной передачей (все станции, подключенные к LAN). В однонаправленном адресе самый старший бит в начале байта:
0 в адресе групповой рассылки младший бит.
1 Широковещательный адрес — это поле 48 бит.
Основные устройства сети Ethernet
Устройства подключения
Сегодня обычная сеть состоит из многих локальных сетей и одной
или нескольких базовых. Поэтому в технологиях должны быть предусмотрены способы объединить эти сети. Инструментальные средства, предназначенные для этих целей, называются .
В этом разделе мы обсуждаем пять видов устройств: ретрансляторы, концентраторы, мосты, маршрутизаторы и коммутаторы. Ретрансляторы и концентраторы работают на первом уровне набора протоколов TCP/IP. (Это сопоставимо с физическим уровнем модели OSI.) Мосты работают на первых двух уровнях. Маршрутизаторы работают на первых трех уровнях. Мы имеем два типа коммутаторов: первый тип — усложненный мост и второй — усложненный маршрутизатор. рис 6.6показывает уровни, на которых работает каждое устройство.
(рис 6.6) Подключающие устройства
Ретрансляторы
Для увеличения длины общей сети, состоящей из различных сегментов кабеля, используются ретрансляторы. Ретранслятор является устройством 1-го уровня и работает только на физическом уровне. Сигналы, которые переносят информацию в пределах сети, могут пройти фиксированное расстояние до того момента, когда затухание создаст угрозу целостности данных. Ретранслятор получает сигнал, и прежде чем он становится слишком слабым или искаженным, восстанавливает первоначальный вид бита. Затем он передает регенерированный сигнал. Ретранслятор может увеличить физическую длину сети, как показано на рис. 6.7.
Он принимает сигналы из одного сегмента кабеля и побитно синхронно повторяет их на другом сегменте кабеля, увеличивая мощность и улучшая форму импульсов. Применение ретранслятора вносит дополнительную задержку и ухудшает распознавание коллизии, поэтому их количество в сети Ethernet не должно превышать 4, при этом максимальная длина одного сегмента должна быть не более 500 метров, а диаметр всей сети — не более 2500 метров. Заметим, что сеть, образованную с помощью ретрансляторов, все еще считают одной локальной сетью, но часть сети, разделенную ретрансляторами, называют сегментом. Ретранслятор действует как узел с двумя интерфейсами, но работает только на физическом уровне.
(рис 6.7) Ретранслятор
Когда он получает пакет от любого из интерфейсов, он восстанавливает и передает его вперед к другому интерфейсу. Ретранслятор передает вперед каждый пакет, но не имеет никаких возможностей для выделения и перенаправления информации.
Концентраторы
Соединение узлов между собой осуществляется через центральное устройство — концентратор (рис 6.8), и это значительно устраняет недостатки предыдущих стандартов. Хотя в общем смысле термин "концентратор" может применить к любому устройству подключения, в данном случае он имеет специальное значение. Концентратор — фактически многовходовой ретранслятор. Он обычно используется, чтобы создать соединение между станциями в физической звездной топологии.
Концентратор (Hub) является устройством 1-го уровня и осуществляет функции повторителя на всех отрезках витых пар между концентратором и узлом, за исключением того порта, с которого поступает сигнал. Каждый порт имеет приемник (R) и передатчик (T). Кроме того, концентратор сам обнаруживает коллизию и посылает jam-последовательность на все свои выходы. Типовая емкость концентратора — от 8 до 72 портов. Концентраторы могут также использоваться, чтобы размножать уровни иерархии, как показано на рис.6.9.
Концентраторы можно соединять друг с другом с помощью тех же портов, которые используются для подключения узлов. Стандарт разрешает соединять концентраторы только в древовидные структуры, любые петли между портами концентратора запрещены. Для надежного распознавания коллизии между двумя любыми узлами должно быть не больше 4 концентраторов, при этом максимальная длина между концентраторами должна быть не более 100 метров, а диаметр всей сети — не более 500метров.
(рис 6.8) Сеть Ethernet, образованная с помощью концентратора, на витой паре (стандарт 10Base-T)
(рис 6.9) Размножение уровней иерархии с помощью концентраторов
Заметим, что сеть, построенная на основе концентраторов, рассматривается как одна единственная локальная сеть. Эта сеть представляется логической топологией типа "шина" (если станция передает пакет, он будет получен каждой другой станцией без переадресации). Иерархическое использование концентраторов устраняет ограничение длины 10BASE-T (100 метров). Построение локальных сетей большой емкости только с помощью концентраторов приводит к возрастанию числа коллизий и снижению пропускной способности сети. Поэтому концентраторы используются для построения небольших фрагментов сетей, которые затем объединяются с помощью мостов и коммутаторов.
Мосты
), но, в отличие от повторителя, снабжен определенной логикой. Порт моста записывает все кадры, поступающие от узлов одного сегмента, в буферную память данных. Как устройство физического уровня, он восстанавливает сигнал, который получает. Как устройство уровня звена передачи данных, мост может проверить физический адрес (источник и пункт назначения), содержащиеся в пакете. Заметим, что мост, подобно ретранслятору, не имеет никакого физического адреса. Он действует только как фильтр, но не как исходный передатчик к конечному пункту назначения. В исходном состоянии, когда состав сети неизвестен, мост ретранслирует буферизированные кадры, поступающие с одного порта, на другой порт по алгоритму CSMA/CD. Мосты "прозрачны" и распознаваемы; они могут быть легко установлены между двумя сегментами локальной сети (принцип "plug and play" — "включай и работай"Принцип, используемый в настоящее время для многих компонентов, когда программное обеспечение распознает вновь подключаемое оборудование и само включает его в работу или дает простые указания для подключения человеку). Таблица моста первоначально пуста, но как только мост получает и передает вперед пакет, он создает в своей таблице вход с исходным адресом и интерфейсом прибытия. С тех пор мост знает, от кого поступает каждый пакет, к какому пункту назначения, от какого интерфейса. Мост также делает запись информации о пункте назначения, используя информацию, содержащуюся в пакете. Мы делаем нечто подобное, когда отвечаем по почте (или электронной почте).
(рис 6.10) Сеть Ethernet с использованием моста
По истечении некоторого времени мост составит следующую таблицу таблица 6.1 рис 6.11).
| Порт 1 | Порт 2 |
|---|
| МАС-адрес узла 1 | МАС-адрес узла Х+1 |
| МАС-адрес узла 2 | . . . |
| . . . | МАС-адрес узла N |
| МАС-адрес узла Х | МАС-адрес маршрутизатора |
Он по свой таблице определяет, что нужно ретранслировать кадр из буфера порта 1 в порт 2. Если же мост получает кадр от узла 2, направленный к узлу Х, то он по своей таблице определяет, что узлы находятся в одном сегменте, и стирает кадр в буферной памяти порта 1. Записи в таблице, произведенные мостом, являются динамическими. По истечении определенного времени, если мост не принял ни одного кадра от какого-то узла, такая запись стирается. Процедура ограниченного хранения записанных данных называется кэшированием и предохраняет таблицу от переполнения при удалении узла из сети или при перемещении узла из одного сегмента в другой. Записи, внесенные в таблицу администратором, называются статическими и не имеют срока жизни, они дают возможность администратору при необходимости принудительно подправлять работу моста.
Коммутатор (Switch)
Термин "коммутатор" может означать две различных вещи. Мы должны уточнять информацию об уровне, на котором устройство работает. Мы можем иметь коммутатор уровня два или коммутатор уровня три. Кратко обсудим каждый.
Коммутатор уровня два Коммутатор уровня два — мост со многими интерфейсами, который позволяет лучше (более быстро) распределять информацию. Мост с несколькими интерфейсами может подключить несколько сегментов LAN вместе. Мост со многими интерфейсами может распределить информацию каждой станции к каждой станции на одном и том же сегменте. Далее мы используем термин "мост" для коммутатора уровня 2.
Коммутатор уровня три Коммутатор уровня три — маршрутизатор. Коммутатор уровня три может получить, обработать и послать пакет намного быстрее, чем традиционный маршрутизатор, даже при том, что функциональные возможности у них одни и те же. Мы используем термин "маршрутизатор" для коммутатора уровня три.
(рис 6.11) Мост
). Каждый порт коммутатора оснащен процессором обработки пакетов (Пр.), который может работать как в полудуплексном, так и в дуплексном режиме. При подключении к порту коммутатора отдельного узла (компьютера или маршрутизатора) порт коммутатора устанавливается в дуплексный режим, а в узел ставится сетевая карта с подавлением коллизий. За счет этого узел и коммутатор имеют возможность одновременной передачи и приема пакетов. При подключении к порту коммутатора концентратора порт коммутатора устанавливается в полудуплексный режим.
(рис 6.12) Сеть Ethernet с использованием коммутатора
Для коммутации кадров между портами используется коммутационная матрица (Мх). Аналогично мосту каждый порт ведет адресную таблицу МАС-адресов, подключенных к нему устройств и сообщает о ней центральному процессору (ЦПР). После приема начальных бит кадра входной процессор анализирует адрес назначения и пытается установить соединение через коммутационную матрицу, не дожидаясь прихода, оставшихся бит кадра. Для этого он обращается к ЦПР с заявкой на установление пути в коммутационной матрице. ЦПР имеет адресную таблицу и может осуществить запрашиваемое соединение, если порт назначения свободен, т.е. не соединен с другим портом. Если же порт занят, то ЦПР в соединении отказывает, и кадр продолжает буферизироваться процессором входного порта до освобождения выходного порта. После того как требуемый путь в коммутационной матрице установлен, по нему направляются кадры в выходной порт, где они повторно буферизируются на случай разной скорости коммутируемых портов. Процессор выходного порта по значению контрольной суммы (FCS) опционально может проверить целостность принятого кадра и начинает передавать по сегменту Ethernet принятый кадр. Из-за наличия множества портов коммутатор обладает существенно более высокой производительностью за счет параллельной обработки кадров. Если потоки данных между портами распределяются, не конфликтуя между собой, т.е. соединения вида "входной порт — выходной порт" образуют независимые пары, то коммутатор емкостью N портов может одновременно обслуживать N/2 полудуплексных соединений или N дуплексных соединений.
Маршрутизаторы
Маршрутизатор — устройство с тремя уровнями; он работает на физическом уровне, канальном уровне звена (уровне звена передачи данных) и сетевом уровне. Как устройство физического уровня, он восстанавливает сигнал, который он получает. Как устройство уровня звена передачи данных, маршрутизатор проверяет физические адреса (источник и пункт назначения), содержащиеся в пакете. Как устройство сетевого уровня, маршрутизатор проверяет адреса сетевого уровня (адреса в уровне IP).
Маршрутизатор может: соединять локальные сети; соединять вместе сети общего назначения; подключить локальные сети к сетям общего назначения. Другими словами, маршрутизатор — устройство межсетевого обмена; он соединяет вместе независимые сети, чтобы формировать сеть Internet. Согласно этому определению, сети, соединяемые маршрутизатором, становятся Internet-сетью, или Internet.
Есть три главных отличия между маршрутизатором и ретранслятором или мостом:
Маршрутизатор имеет физический и логический (IP) адрес для каждого из его интерфейсов.
Маршрутизатор действует только на тех пакетах, в которых адрес получателя соответствует адресу интерфейса, куда пакет прибывает. Это истинно для однонаправленного, группового или широковещательного адреса.
Маршрутизатор изменяет физический адрес пакета (и источник, и пункт назначения), когда он передает пакет вперед.
Рассмотрим пример. На рис.6.13 , мы показываем две сети LAN, разделенных маршрутизатором. Левая LAN имеет два сегмента, отделенные мостом. Маршрутизатор изменяет источник и адреса получателя пакета. Когда пакет перемещается в левую LAN, его исходный адрес — это адрес передающей станции; его адрес получателя — это адрес маршрутизатора. Когда тот же самый пакета перемещается во вторую LAN, его исходный адрес — адрес маршрутизатора, и его адрес получателя — адрес заключительного пункта назначения. Маршрутизаторы направляют пакеты среди множества связанных сетей. Они направляют пакеты от одной сети до любого множества потенциальных сетей пункта назначения на Internet.
(рис 6.13) Пример маршрутизации
Маршрутизаторы действуют на сети подобно станциям. Но в отличие от большинства станций, которые включаются только в одну сеть, маршрутизаторы адресуются и подключены к двум или более сетям. О маршрутизаторах и процедуре маршрутизации более подробно можно будет узнать в главах, посвященных сети Интернет.
Реализация
Стандарты определяют несколько реализаций для традиционного Internet. В зависимости от типа физической среды имеются различные стандарты:
10BASE5 ("толстый" Ethernet) использует топологию типа "шина" с толстым коаксиальным кабелем как средой передачи.
10BASE2 ("тонкий" Ethernet или более дешевая сеть) использует топологию типа "шина" с тонким коаксиальным кабелем как средой передачи.
10BASE-T (Локальная сеть Ethernet по витой паре) использует физическую звездную топологию (логическая топология — все еще шина") со станциями, подключенными двумя парами кабеля с витой пары к центру.
10BASE-FL (Локальная сеть Ethernet по оптоволоконной паре) использует звездную топологию (логическая топология — все еще "шина") со станциями, подключенными парой волконно – оптических кабелей к центру. Число 10 обозначает скорость передачи 10 Мбит/с, Base — передачу на одной базовой частоте 10 МГц, последний символ обозначает тип кабеля:5 — коаксиальный кабель диаметром 0,5 дюйма), 2 — коаксиальный кабель диаметром 0,25 дюйма, Т (twisted pair) — неэкранированная витая пара, FL (fiber link) — оптический кабель.
Быстрая Локальная сеть Ethernet
Потребность в более высокой скорости данных создала Быстрый протокол Локальной сети Ethernet (100 Mbps). На уровне MAC Быстрая Локальная сеть Ethernet использует те же самые принципы, что и традиционная Локальная сеть Ethernet (CSMA/CD), за исключением того, что скорость передачи была увеличена от 10 Mbps до 100 Mbps. Чтобы CSMA/CD работала, есть две возможности: либо увеличить минимальную длину кадра, либо уменьшить домен коллизии (скорость света не может быть изменена). Увеличение минимальной длины кадра требует дополнительного заголовка. Если данные, которые будут посланы, недостаточно длинны, мы должны будем добавить дополнительные байты, что влечет за собой увеличение передаваемой служебной информации и потерю эффективности. Быстрая Локальная сеть Ethernet выбрала другой путь: домен коллизии был уменьшен с коэффициентом 10 (от 2500 метров до 250 метров). Эта звездная топология 250 метров приемлема во многих случаях. На физическом уровне Быстрая Локальная сеть Ethernet использует различные методы передачи сигналов и различные среды для того, чтобы достигнуть скорости передачи данных 100 Mbps.
Реализация Быстрой Локальной сети Ethernet
Быстрая Локальная сеть Ethernet может быть разбита на категории реализации либо по двухпроводной линии, либо по четырехпроводной. Двухпроводная реализация названа 100BASE-X, или реализация кабелем с витыми парами (100BASE-TX), или реализация кабелем с оптическим волокном (100BASE-FX). Реализация четырехпроводной линией разработана только для кабеля с витыми парами (100BASE-T4). Другими словами, мы имеем три реализации: 100BASE-TX, 100BASE-FX, и 100BASE-T4.
Гигабитовая Локальная сеть Ethernet
Потребность в скорости передачи данных выше, чем 100 Mbps, в результате породила протокол Гигабитной Локальной сети Ethernet (1000 Mbps). Чтобы достигнуть этой скорости передачи данных, уровень MAC (управления средой доступа) имеет два варианта: сохранение CSMA/CDили отказ от него. Как и прежде, эти варианты конструкции должны либо уменьшить домен конфликта, либо увеличить минимальную длину кадра. Так как домен конфликта 25 метров недопустим, минимальная длина кадра увеличена очень изящным способом. Во втором варианте - отказ от использования CSMA/CD - каждая станция соединена двумя отдельными путями с центральным концентратором (hub). Это называется Дуплексной Локальной сетью Ethernet без конфликтов и не нуждается ни в каком CSMA/CD/. На физическом уровне было сделано много изменений, чтобы позволить передавать данные на этой скорости.
Реализации Гигабитной Локальной сети Ethernet
Локальная Гигабитная сеть Ethernet может быть классифицирована по реализации либо как двухпроводная линия, либо как четырехпроводная. Двухпроводная линия названа 1000BASE-X и может быть реализована с оптическими волокнами, передающими лазерные коротковолновые сигналы (1000BASE-SX); с оптическими волокнами, передающими длинноволновые лазерные сигналы волны (1000BASE-LX); с защищенной витой парой, передающей электрические сигналы (1000BASE - CX). Четырехпроводная версия использует кабели c витыми парами (1000BASE-T).
Технология Token Ring
Технология также использует разделяемую среду с топологией в виде кольца (рис 6.14), но в отличие от Ethernet применяет не случайный, а детерминированный доступ. Право на доступ передается от одного узла к другому в виде специального кадра, называемым маркером (Token). Каждый порт имеет приемник (R) и передатчик (T). Скорость передачи кадров по кольцу может быть 4 или 16 Мбит/с, смешение скоростей в одном кольце не допускается. В качестве физической среды может использоваться витая пара или оптоволоконный кабель. Максимальное число узлов в кольце - 260, максимальная длина кольца - 4000 метров.
(рис 6.14) Сеть Token Ring
(рис 6.15) Прохождение маркера
Кольцевая сеть с маркерным доступом
Эта сеть использует для доступа к сети маркер. Прохождение маркера иллюстрируется на рис.6.15 . Всякий раз, когда сеть не занята, циркулирует простой 3-байтовый маркер. Его передают от станции к станции, пока он не встретится со станцией, имеющей данные для передачи. Станция сохраняет маркер и посылает кадр данных. Этот кадр имеет адрес назначения и адрес источника. Он обрабатывается по кольцу и регенерируется каждой станцией. Каждая станция проверяет адрес пункта назначения, и если находит, что кадр адресован другой станции, то он ретранслирует его соседней станции. Назначенный заранее получатель распознает свой собственный адрес, копирует сообщение в буфер, проверяет ошибки и заменяет 4 бита в последнем байте кадра для того, чтобы показать, что адрес опознан и кадр скопирован. Полезный пакет затем продолжает передаваться по кругу, пока не вернется к станции, с которой он послан. Узел, инициировавший передачу кадра, получив подтверждающий кадр, изымает его из кольца и передает маркер следующему узлу. Каждый узел следит за временем удержания маркера, которое обычно равно 10 мс. За это время узел может передать несколько кадров. При первоначальном включении все станции начинают процедуру выбора активного узла, критерием которого является узел с максимальным значением МАС - адреса. В дальнейшем этот узел каждые 3 секунды генерирует специальный кадр своего присутствия и восстанавливает маркер в случае его утери. В случае отключения какого-либо узла от сети или пропадания питания на узле релейные схемы этого порта замыкают накоротко его передатчик (T) с приемником (R), обеспечивая неразрывность кольца.
Уровни Кольцевая сеть с маркерным доступом использует те же самые два уровня, что и Ethernet. Уровень звена данных разделяется на два подуровня: управления логической связью (LLC — Logical Link Control) и управления средой доступа (MAC — Media Access Control). LLC здесь играет ту же роль, что и в Ethernet. Подуровень MAC несет ответственность за передачу маркера и операции резервирования. Он также ответственен за создание кадра и его доставку физическому уровню.
Кадр Сеть с маркерным доступом определяет три типа кадров: данные, маркер и прерывание.
Кадр данных. В сети с маркерным доступом кадр данных — только один из трех типов, который несет протокольные модули данных (PDU - Protocol Date Unit) и только с одним адресом заданного конечного пункта. Рис. 6.16 показывает формат кадра данных. Ниже дается описание каждого поля в кадре:
Начальный ограничитель (SD — Start delimiter). Это первое поле кадра данных SD длиной 1 байт. Оно используется для подготовки принимающей станции к поступлению кадра, а также для того, чтобы обеспечить синхронизацию, восстанавливающую тактовые импульсы.
Управление доступом (AC — Access Control). Это поле AC длиной 1 байт включает четыре подполя. Первые три бита — это поле приоритета. Четвертый бит называется маркерным битом и устанавливается для того, чтобы показать, что кадр есть кадр данных, а не маркер или кадр прерывания. Маркерный бит следует за битом наблюдения. Последние 3 бита — резервное поле, которое может быть установлено станцией, желающей зарезервировать доступ к кольцу.
Управление кадром (FC — Frame Control). Поле FC имеет длину 1 байт и содержит два поля. Первое - это однобитовое поле, которое указывает тип информации, содержащейся в протокольной единице PDU (это информация управления или данные). Второе использует 7 оставшихся бит из байта и содержит информацию, используемую сетью с маркерным доступом (например, как использовать информацию в поля AC).
Адрес пункта назначения (DA - Destination Address). Поле DA в 6 байт содержит физический адрес кадров следующего конечного пункта.
(рис 6.16) Кадр данных
Адрес источника (SA — Source Address). Поле SA также имеет длину 6 байт и содержит физический адрес передающей станции.
Данные. Шестое поле, данные размещает 4500 байт и содержит протокольные единицы PDU. Кадр сети с маркерным доступом не включает единицу длины или типа поля.
Циклический избыточный код (CRC — Cyclic Redundancy Code). Поле CRC имеет длину 4 бита и содержит CRC—32, обнаруживающую последовательность ошибок.
Конечный ограничитель (ED — End Delimiter). ED — второе поле флага в один байт, который указывает конец передачи данных и управляющей информации.
Состояние Кадра (FC — Frame Status). Последний байт кадра — поле FS. Он может быть установлен приемником для того, чтобы указать, что кадр прочтен, или монитором, чтобы указать, что кадр прошел вокруг кольца. Это поле — не подтверждение, но оно указывает передатчику, что приемная станция скопировала кадр, который может теперь быть удален.
Кадр маркера. Поскольку маркер реально заполняет место и кадр резервирования, он имеет только три поля: разделитель старта (SD), разделитель управления доступом AC и разделитель окончания. Поле SD указывает, что кадр поступил. Поле AC указывает, что кадр — маркер, и включает поля резервирования и приоритет. Поле ED указывает конец кадра.
Кадр прерывания. Прерывание не несет вообще никакой информации - только разделитель (SD) старта и окончание. Он может быть передан любым передатчиком при остановке своей собственной передачи (по любой причине) или монитором, чтобы произвести чистку информации старой передачи на линии.
Адресация. Так же как и большинство реализаций локальной сети Ethernet, кольцевая сеть с маркерным доступом использует 6-байтовый адрес. Механизм адресации тот же самый, что у локальной сети Ethernet, за исключением того, что кольцевая сеть с маркерным доступом сначала передает самый старший бит каждого байта.
). Один MAU может обеспечить работу до восьми станций. MAU могут быть объединены, чтобы создать большее кольцо.
(рис 6.17) Многостанционный модуль доступа (MAU — Multi Access Unit)
Кольцевая сеть с маркерным доступом EFM - C определяет спецификации и рекомендации необходимые для реализации локальной сети Ethernet через скрученные медные пары. Следует обратить внимание, эта локальная сеть связь по Ethernet осуществляется, без использования технологии ATM, PPP (Point – to- Point Protocol), и так далее. Стандарт определяет две минимальных цели - скорость и расстояние:
EFM - C на короткое расстояние (EFM – C SR) - локальная сеть Ethernet по меди для короткого расстояния, обеспечивает минимум скорость 10 Мбит до не менее 750 метров.
EFM - C на большие расстояния (EFM -C LR) - локальная сеть Ethernet по меди обеспечивает как минимум 2 Мбит до 2700 метров.
Эти скорости указывают минимальные значения, и стандарт не ограничивает достижение более высоких скоростей и расстояний. Есть также спецификация для уплотненных пар с небольшим количеством уплотненных каналов. Это используется там, где надо увеличить пропускную способность без применения оптических кабелей. Повторяем, что этот тип соединений, использующий пары не применяет сложных систем, таких как ATM (IMAинверсная технология через ATM технология передачи одного логического канала по нескольким физическим ATM – Inverse Multiplexing over ATM) или объединение пар, как это делается в SHDSL.
На физическом уровне EFMC (EFMC SR и EFMC LR) использует методы модуляции DSL, на основе опыта работы и большого числа с DSL, установленных во всем мире. Пока рекомендуются для применения не все типы DSL. Чаше всего современные системы EFMC SR реализуется чаще на VDSL (только для протоколов Локальной сети Ethernet), а для EFMC LR по SHDSL ITU-T G991.2 и G.SHDSL.bis (только для протоколов Локальной сети Ethernet). Кроме того, эти типы DSL должны использовать Локальную сеть Ethernet только на канальном уровне (уровень 2) стека протоколов (не разрешается использовать ATM или PPP).
Для физического уровня EFMC стандарта 802.3ah определяются два новых подуровня, которые называются , содержит информацию о некоторых EFMC, соответствующих стандарту 802.3ah EFM
EFMC, соответствующих стандарту 802.3ah EFM
| EFMC Порты | EFMC PHY Тип | Тип DSL для локальной сети Ethernet | Минимальные скорости/расстояния |
|---|
| EFMC на короткое расстояние | 10BASS-TS | VDSL | 10 Мбит/с / 750 м |
| EFMC на большие расстояния | 2BASE-TL | SHDSL (G 991.2) и G.SHDSL.bis | 2 Мбит/с / 2700 м |
Локальная сеть Ethernet Первой Мили по оптическому волокну Точка-точки (EFMF)
EFMF содержит рекомендации для реализации Локальной сети Ethernet по оптическому кабелю, применяя технологию точка - точка в одномодовом режиме (G 652) и используя либо единственно волокно либо двойное волокно (пара волокон). Использование единственного волокна предоставляет возможность создать двух волновой мультиплексор, который разбивает, сигнал на передачу и приём, и передавать их волнам по различной длины. Волны одной длины пропускает поток вниз ("сеть - пользователь" ) - D, а другая как поток вверх ("пользователь - сеть") - U. Это может оптимизировать работу с оптическим волокном на уровне доступа.
EFMF поддерживает симметричную связь при ширине полосы частот до 100 Mбит/c и 1 Гбит/с, при связи точка-точка по оптоволоконной линии связи расстояние минимум 10 км. EFMF допускает применение более эффективных технологий "волконо к зданию" (FTTB – Fiber to the Building), волокно до распределительной коробки (FTTC– Fiber to the Curb), и волокно на дом (FTTH – Fiber to the Home). Эта часть стандарта 802.3ah определяет две цели для Локальной сети Ethernet скорость и расстояние:
EFMF 100 Мбит/с SMF-Т использует Локальную сеть Ethernet в одномодовом режиме (SMF – Single Mode Fiber) либо с одним волокном, либо с двумя волокнами. Использования 100 Мбит/с Быстрой Локальной сети Ethernet осуществляется как минимум на расстоянии 10 км.
EFMF 1000 Мбит/с (1 Гбит/c) SMF - Локальная сеть Ethernet в одномодовом режиме (SMF – Single Mode Fiber) либо с одним волокном, либо с двумя волокнами. Использования 100 Мбит/с Быстрой Локальной сети Ethernet осуществляется как минимум на расстоянии 10 км.
Перечисленные выше устройства могут функционировать в пределах температуры от -40 до +85 градусов Цельсия. Это позволяет развертывать EFMF во внешней среде.
Физический уровень EFMF (PHY) определяет в зависимости от среды новые физические подуровни. Передачу и прием по отдельным оптическим волокнам. Эти подуровени известны как 100BASE-LX10 для 100 Мбит/с и как 1000BASE-LX10 для 1Гбит/c. Для системы из единственного волокона, PHY подуровень для Быстрой Локальной сети Ethernet обозначается - 100BASE-BX10, и для Локальной гигабитовой сети Ethernet - 1000BASE-BX10. Обе эти скорости поддерживаются в одномодовом режиме (SMF) на расстоянии 5 км или в более чем 10 км.
таблица 6.3содержит информацию для некоторых EFMF стандарта 802.3ah.
Информация для некоторых EFMF стандарта 802.3ah
| SMF (G 652) Волокно | Физический уровень EFMF Тип Подуровня для 100 Мбит/с, Быстрая Локальная сеть Ethernet (км) | Физический уровень EFMF Тип Подуровня для 1000 Мбит/с, Локальная сеть гигабитная сеть Ethernet (км) | План Длины волны |
|---|
| Одиночное волокно | 100BASE-BX10-D, 10km, 100BASE-BX10-U, 10km | -- | двойная длина волны, поток "сеть - пользователь" (BX10-D) передача 1480 нм до 1580 нм; поток "пользователь сеть" (BX10-U) передает 1260 нм до 1360 нм. |
| Одиночное волокно | | 1000BASE-BX10-D, 10km1000BASE-BX10-U, 10км | двойная длина волны, поток "сеть - пользователь" (BX10-D) передача 1480 нм до 1500 нм; поток "пользователь сеть" (BX10-U) передача 1260 нм к 1360 нм |
| Двойное волокно | | 1000BASE-LX, 5km, и 1000 BASE-LX10, 10км устойчивость к температуре | передача длина волны, 1260 нм до 1360 нм, совместим с большинством SONET/SDHOC-3/STM-1 приемопередатчиками |
Локальная сеть Ethernet Первой Мили по Пассивным Оптическим Сетям (EFMP)
Локальная сеть Ethernet Первой Мили по Пассивной Оптической Сети (EFMP) определяет рекомендации реализации Локальной сети Ethernet от точки -ко -многим точкам, по одномодовому волокну (SMF G 652) со скоростью в 1 Гбит/c на расстояние до 20 км. EFMP предусматривает использование пассивных оптических компонентов в сети доступа, которая называется Пассивная Оптическая Сеть Ethernet (EPON).
Метод передачи от точки ко -многим точкам, иногда упоминаемый как пассивный вариант 1:n, позволяет множество абонентских оптических волокон мультиплексировать в поток "пользователь сеть" через единственное волокно, часто называемое "волокно пучка каналов". Это позволяет применять оптический кабель в жилых районах на большие расстояния при боле низкой стоимости, чем в других случаях.
Спецификация ИИЭР 802.3ah для EPON определяет:
Многоточечный Протокол Управления (MCPC –Multipoint Control Protocol),
имитация Точка-точка (P2PE – Point to Point Emulation),
два физических зависимых среды подуровня для 10-километровых и 20-километровых расстояний, используя 1490 нм лазеры для потока "сеть - пользователь" и 1310 нм лазеров для потока "пользователь сеть".
Многоточечный MCPC необходим для того, чтобы создать назначенные ширины полосы частот, опрос ширины полосы частот. EPON сети содержат оптические линейные терминалы (OLT- optical line terminal), который, обычно постоянно находятся у поставщика или в точке привязки. OLT - типичный коммутатор Локальной сети Ethernet с оптическими портами для волокна пучка каналов потока "сеть - пользователь". Данные потока "сеть - пользователь" от волокна пучка каналов к абонентам поступают в разделитель 1:n пассивного оптического, который поставляет копии всех данных по n абонентским оптическим блокам (ONU-Optical Network Unit).
Абонентское ONU идентифицировано уникально и только передаёт поток "сеть - пользователь" только по их адресам системы управления доступом к среде (MAC –Medium Access Control). Данные потока "пользователь сеть" от абонентского ONU достигают комплекта разделителя волокна пучка каналов. Там они распределяются с помощью MCPC –Multipoint Control Protocol в слоты времени и поток "пользователь сеть", который доставляют, используя многостанционный доступ с временным разделением (TDMA - Time Division Multiple Access) к оптическому линейному терминалу (OLT optical line terminal). Далее используется для потока "пользователь сеть" доступ TDMA (TIME Division Multiple Access) для передачи только одному абоненту в топологии точки – ко многим точкам.
Эта часть стандарта 802.3ah определяет две характеристики для Локальной сети на основе протокола CSMA-CD – скорость и расстояние:
EFMP 1000 Mbps SMF 10 км - Используют Локальную сеть на основе протокола CSMA-CD по одномодовому единственному волокну к пассивному оптическому разделителю (сплитеру) 1:16. Используется скорость 1000 Мбит/с (Гигабитная Локальная сеть на основе протокола CSMA-CD ). Данные передаются по принципу точка – ко - многим точкам, на расстоянии не менее 10-километров.
EFMF 1000 Mbps SMF, 20 км - Используют Локальную сеть на основе протокола CSMA-CD по одномодовому единственному волокну к пассивному оптическому разделителю (сплитеру) 1:16. Используется скорость 1000 Мбит/с (Гигабитная Локальная сеть на основе протокола CSMA-CD). Данные передаются по принципу точка – ко - многим точкам, на расстоянии не менее 20-километров.
Техническое обслуживание локальных сетей на на Первой Миле, (EFM -OAM).
Чтобы Локальная сеть была удобна для массового использования, она должна быть оборудована хорошей системой технического обслуживания, администрирования и эксплуатации OAM, т.е. автоматизированными или полуавтоматическими средствами, которые позволяют делать установку отдельных частей, контроль, и поиск неисправностей сети. В этом случае, OAM должна быть применима ко всем типам Ethernet (EFM EFMC, EFMF, и EFMP.).
Определения EFM OAM в пределах стандарта 802.3ah заимствуют часть положений существующего Простого Протокола Управления Сети (SNMP –Simple Network Management Protocol) - это основные положения по передаче информации и сигналов управления, но расширяют и приспосабливают их к управлению Локальной сетью на абонентской сети местного доступа. Это помогает контролировать, получать сообщения, производить дистанционный поиск неисправностей, проводить с испытания и так далее. Главные особенности протокола EFM OAM, которые обеспечивают надежное управление Локальной сетью на абонентском участке:
контроль рабочих характеристик соединений
обнаружение ошибки и сигнализация об ошибках
испытания по петле (loopback testing)
EFM OAM спецификация протокола определяет множество блоков данных, названных действиями, администрированием, и обслуживания (OAM – operation, administration, maintenance), выполняющие процессы OAM. Адреса медленного протокола OAM MAC (протокол эксплуатации, управления и технического обслуживания управлением доступа к среде) используется для управления протокольными блоками данных между абонентской локальной сетью и устройствами любого типа, используют ли они топологию сети EFMC, EFMF, или EFMP. Скорость такого обмена не более, чем десять OAMPDUs в секунду. Кадры OAMPDUs – абонентской Локальной сети имеют длину от 64 до 1518 байтов или октетов. OAM играет роль подслоя на уровне 2 между типовым MAC (управлением доступом к среде) и управлением логическим канальным уровнем (LLC – Logic link comtrol). Использование EFM OAM подслой является дополнительным, так что поставщики имеют выбор, чтобы использовать существующие инструменты управления сети или мигрировать к EFM OAM протоколы управления на их специфическом графике времени. EFM OAM спецификации это первый шаг в усовершенствовании управления абонентской локальной сетью в сети местного доступа.
Кабельные абонентские сети.
Структура абонентской кабельной сети.
Для широкополосной связи на абонентском участке применяются кабельные сети. Они строятся на основе коаксиальных и/или оптических кабелей. Для распределения вещательного телевидения абонентские кабельные сети применялись с 1950 года. Широкополосные передача по кабелю данных и предложение сервисов были следующими после телевидения приложениями кабельных сетей на абонентском участке. В 90-ые годы прошлого столетия промышленность и эксплуатация разработали стандарты и предложили идеи, как использовать кабель для транспортировки услуг Интернет на основе протоколов TCP/ IP.
Исторически кабельное телевидение есть сеть вещания, которая распределяет программы по потребителям. Для введения Интернет услуг требовалось только усовершенствовать передачу информации от потребителя к станции (направление "вверх"). Кабельные операторы, которых иногда называют мультисистемные операторы иногда (MSO - Multiple systems operators), как правило, используют для предложения гибридные широкополосные услуги, такие как телевидение с высокой степенью разрешения и передачу данных на высокой скорости по оптокабельным системам (HFC- Hybride Fibre-Coaxial). Для управления информацией по кабелю и расширения диапазона на концах передачи и приема систем устанавливают (рис 6.1) кабельные модемы (CMTS –Cable Termination CTMS). CMTS обеспечивает связь "вверх" от абонента к окончанию кабеля к окончанию кабеля и "вниз" от окончания кабеля к абоненту.
(рис 6.18) Абонентская кабельная сеть с применением CMTS
На рис.6.18 показана абонентская сеть с установкой системы кабельных модемов. Она состоит:
из оборудования абонента – кабельный модем и оборудование для приема речевых и видео сигналов;
соединительной уплотненной кабельной сети; кабельная сеть также содержит усилители, пассивные элементы (аттенюаторы, сплитеры, отвод, абонентские розетки).
кабельной головной станции, которая содержит: систему кабельных модемов; маршрутизатор сети Интернет, шлюз для выхода на телефонную сеть.
При соединении "вниз" такая сеть работает как обычная вещательная сеть кабельного телевидения. Она доставляет программы телевидения абонентам, где они фильтруются в соответствии с настройкой домашним модемом. Кабельный модем также отделяет речевую информацию от видео и доставляет её к оконечным устройствам. Эта информация передается по кабелю, который с помощью системы кабельных модемов уплотняется (по методу частотного разделения). При частотном разделении предусматривается и выделение обратных каналов (каналы "вверх"), которые переносят управляющую информацию от абонента в сеть Интернет – поставщика услуги. Состав кабельного модема показан на рис.6.19 .
(рис 6.19) Система кабельных модемов
Система кабельных модемов содержит:
частотный преобразователь, в задачу, которого входит преобразование цифрового сигнала в сигналы частотно уплотненного тракта. Он также может включать в себя, преобразование сигналов полученных от спутников, радиосистем и видеокамер;
шейпер (формирователь трафика) – устройство, следящее за трафиком, устанавливающая очередь пакетных потоков и управление поступающими потоками с целью нормальной работы в условиях перегрузки;
маршрутизатор – в данном случае позволяющий собирать CMTS в абонентскую сеть типа Ethernet.
Характеристики кабельной сети
В настоящее время коаксиальный кабель имеет достаточно большую ширину спектра - в сотни мегагерц. Каналы вещательного телевидения, имеющие полосу 6 МГЦ, в США размешаются в пределах от 54 МГЦ до 216 МГЦ для каналов с номерами 2 – 13 (отдельные полосы 54-72, 76-88, 174-216 МГЦ) и от470 МГЦ до 812 МГЦ для каналов с номерами 14 -70. Сегодня, в пределах ширины полосы частот 6 МГЦ, используя систему MPEG со сжатием информации, абонентское телевидение, может передать до 10 каналов цифрового видео. При полной используемой ширины полосы частот приблизительно в полосе 550 МГЦ возможно разместить до 1000 каналов телевидения. Типичное американское распределение частот в кабельной системе показано в Таблице 6.4 .
Распределение частот в кабельной системе
| Частотный диапазон(МГц) | Направление | Примеры использования |
|---|
| От 5 до 42 | Вверх | Обратный путь для передачи данных, сигналов сетевого управления согласно стандарту передачи по телевизионному кабелю (Data over Cable System Interface Specification - DOCSIS) |
| От 54 до 350 | Вниз | Широкополосное аналоговое телевидение и передача данных по стандарту DOCSIS (ширина полосы регулируется под каждого оператора) |
| От 350 до 750 | Вниз | Широкополосное цифровое телевидение и передача данных по стандарту DOCSIS (ширина полосы регулируется под каждого оператора) |
| От750 до 1000 | Вверх | В перспективе обратный путь для передачи данных, сигналов сетевого управления согласно стандарту DOCSIS |
Недавно кабельная промышленность начала выпуск нового коаксиального кабеля – кабеля, с четырехслойной оболочкой. Кабель, соответствующий требованиям широкополосной связи – RG6. Содержит проводник, диэлектрик, экран из фольги, внутренний экран-оплетку и наружную оболочку. Он обеспечивает высокую пропускную способность. Различные разновидности этого кабеля рассчитаны на частотный диапазон 1 ГГц (1000 МГЦ), 2.2 ГГц (2200 МГЦ), и 3 ГГц (3000 МГЦ). Такой кабель имеет небольшое затухание и уровень шумов. Он также позволяет прокладку под водой.
Оптический кабель улучшает большую часть кабельной сети между оператором и абонентом, увеличивая пропускную способность, надежность, и множество сервисов. HFC системы - в значительной степени улучшают условия организации распределения типа "точка – многоточие". Оптическая сеть с использованием разделения на основе длины волны (DWDM –Dense Wavelength Distribution Division Multiplexing) позволяет операторам сегментировать HFC системы в более логичную систему, что улучшает безопасность, и предлагать более высокую ширину полосы частот каждому пользователю.
Обслуживание потока "вверх"
Данные потока "пользователь-сеть" (вверх), в настоящее время для уменьшенных требований ширины полосы частот, помещены в окно 2 МГц, в частотной полосе 5 - 42 МГц. Поскольку в направлении потока "пользователь сеть" более узкая ширина полосы частот, то используется для передачи технология TDM. Это разделение по времени хорошо работает для очень коротких команд, запросов, и передачи адресов, что составляет большую часть потока "пользователь сеть" для большинства пользователей к CMTS при связи с Интернет.
CMTS обычно поддерживает зону до 1000 Интернет кабельных модемов с шириной канала 6 МГЦ. Один канал на 6 МГЦ может обеспечить, в зависимости от типа модуляции, пропускную способность приблизительно 30 мгбит/с (QAM-64 модуляция) 40 мгбит/с (QAM-256 модуляция). Эта пропускная способность может быть разделена между соседними абонентами и может изменять рабочие характеристики, в зависимости от поведения других абонентов, работающих в режиме "онлайн". Хорошее свойство кабельной системы, что поставщик кабеля может образовать новый канал, разделяя старые каналы. Этим он может решить возникающую конкретную проблему изменения рабочих характеристик. Большинство поставщиков кабеля регулярно контролирует рабочие характеристики и добавляет другой канал, когда пользователь достигает некоторого порога нагрузки.
Кабельные стандарты.
Связь абонентов кабельной сети с системой кабельных модемов определяется стандартом Спецификации Интерфейса Передачи Данных по ТВ кабелю (DOCSIS -Data over Cable Service Interface Specification). Этот стандарт предназначен для передачи и обслуживания, систем кабельных операторов, таких как сеть, применяющая кабельные модемы, в доме или офисе, чтобы поддержать двунаправленную передачу данных через кабельную сеть. Стандарт DOCSIS был принят в 1999 году.
Сеть по стандарту DOCSIS - это широкополосная кабельная сеть, предназначенная для передачи данных и речи. Кабельные операторы могут применяющие DOCSIS, сопрягаются с опто - коаксиальными сетями на основе стандартов HFC на основе центров кабельных модемов, что понизить затраты на предоставление услуг передачи речи (VoIP) или для комплексных услуг, связанных передачей голоса, данных, и услуг кабельного телевидения абонентам. При этом мультиоператоры могут отделить себя от поставщиков телесвязи, и могут эффективно конкурировать с телефонными компаниями или поставщиками спутникового телевидения. В настоящее время известны следующие стандарты:
DOCSIS 1.0
DOCSIS 1.1
DOCSIS 2.0
DOCSIS 3.0
Euro DOCSIS
Характеристики, определяемые стандартами DOCSIS 1.x и DOCSIS 2.0 приведены в табл.6.5. Поскольку усовершенствования стандарта от DOCSIS 1.x к DOCSIS 2.0 касались только направления вверх (upstream), в таблице приведены характеристики этого направления.
Основные характеристики стандартов DOCSIS 1.x и DOCSIS 2.0 (направление "вверх")
| Свойства | DOCSIS 1.x | DOCSIS 2.0 |
|---|
| A-TDMA | S-СDMA |
| Техника мультиплексирования | Доступ с частотным разделением (FDMA)/ доступ с временным разделением (TDMA) | FDMA/ TDMA | TDMA/S-CDMA |
| Символьная скорость(ксим/сек) | 160, 32, 640, 1280, 2560 | 160, 32, 640, 1280, 2560, 5120 | 1280, 2560, 5120 |
| Тип модуляции | Квадратурно-фазовая манипуляция (QPSK) 16 -QAM | QPSK,8-QAM,16-QAM,32-QAM,64-QAM | QPSK, 8-QAM, 16-QAM,32-QAM, 64-QAM, 128 –QAM (модуляция с решетчатым кодированием – TCM) |
| Спектральная эффективность (бит/сим) | 2 или 4 | 2 до 6 | 1 до 6 |
| Система упреждающей коррекции ошибок (FEC) | RС (R=1 до 10)* | RС (R=1 до 16)* | RС (R=1 до 16)* |
| | | |
| Эквалайзер | 8 полосный | 24- полосный | 24- полосный |
| Перемежение блоков | Нет | Есть | Нет |
| Битовая скорость (Мбит/c) | 0,32 до 10,24 | 0,32 до 10,24 | 2,56 до 30,72 |
( ($$RC$$ – код Рида –Соломона, $$R$$ – число исправляемых битов)
Можно заметить, что в таблице 6.5 для DOCSIS 1x приводится один вариант сети связи, а для DOCSIS 2.0 два варианта A - TDMA (Advanced Time Division Multiplexing Access) и радио вариант S-CDMA (вариант системы множественного доступа с кодовым разделением). A-TDMA представляет собой обычный вариант временного разделения, когда каждый канал от модема образуется путем выделения временного слота. Усовершенствование по сравнению с DOCSIS 1x состоит в том, что в нем предусмотрена скорость формирование канала вдвое большего канала шириной 6,4 МГц, и дополнительно разрешается применение способов квадратурной модуляции (8-QAM, 32- QAM и 64 - QAM). При этом 64- QAM является обязательной, а 8-QAM, 32- QAM применяются для регулировки скоростей.
Для устранения ошибок используется код Рида – Соломона в DOCSIS 1x с длиной контрольного блока 10 байт, а в DOCSIS 2.0 16 байт (см. раздел 4.9). DOCSIS 1.1 включает в себя следующие услуги:
(Безопасность - DOCSIS 1.1 обеспечивает основные механизмы безопасности, которые позволяют индивидуальному пользователю сохранять информационную безопасность в рамках общего кабельной сети. Меры безопасности предоставляют ключи шифрования, которые защищают информацию между оконечным оборудованием CMTS и абонентским кабельным модемом. Также добавляются механизмы охраны и фильтрации, чтобы смягчить риск атак при рассылке широковещательных сообщений на абонентских кабельных модемах и опознавать зарегистрированных пользователей кабельной системы.
Соглашения об Уровне обслуживания – Это механизмы, которые часто требуются деловым пользователям. Соглашение о качестве обслуживания фиксирует коэффициент качества обслуживания и гарантируют пользователю необходимую ширину полосы частот, а также применение различных приоритетов между данными, видео, или речевым приложениями. Соглашение может также поддержать мультимедийные игры и видео услуги, конференц-связь при асимметричной доставке.
Качественная междугородняя голосовая связь VoIP - это способность поставлять междугородние VoIP услуги при наличии перегрузки и гарантии качества обслуживания.
Групповая рассылка IP - групповая рассылка IP обеспечивает поддержку в реальном масштабе времени потока видео IP.
В DOCSIS 2.0 для уменьшения числа ошибок применяется перемежение - "интерливинг".
Для борьбы с искажениями при распространении применяются выравниватели - эквалайзеры. При этом в DOCSIS 1x применяется 8-ми полосный выравниватель, в DOCSIS 2.0 24-х полосный. Представленные в таблице данные показывают, что режиме временного доступа TDMA предлагается максимальная скорость от 0, 32 до 10, 24 мбит / с. При использовании кодового доступа максимальная скорость возрастает от 2,56 до 30,72 Мбит/с.
Как мы знаем, режим TDMA предоставляет пользователям доступ в определенных временных слотах, а режим CDMA в определенных кодовых расширениях. Режим FDMA дает возможность формирования каналов в соответствии с частотным диапазоном.
Стандарты кабельного модема появились в Европе в виде стандарта Euro-DOCSIS , по существу повторяющего DOCSIS 1.0 и ссылающегося на этот стандарт. Главное различие стандартом между DOCSIS, 1.0 и Euro-DOCSIS - это то, что Европа использует полосы пропускания в канал 8 МГЦ в противоположность Североамериканскому стандарту, использующему 6 МГц.
DOCSIS 2.0 основывается на DOCSIS, 1.1 способности и эффективно применяет последние достижения цифровой модуляции для увеличения ширины полосы частот потока "пользователь сеть". Он повышает пропускную способность три раза по сравнению с DOCSIS 1.1 и в шесть раз по сравнению DOCSIS 1.0. Это стандарт позволяет достичь двусторонней скорости передачи более 30 Мбит/c в обоих направлениях.
Увеличение пропускной способности потока "пользователь сеть (направление "вверх") долго было мечтой о кабельных системных операторов (MSO). Большая пропускная способность потока "пользователь сеть" (направление "вверх") делает возможным, предоставление дополнительных услуг предприятиям и рынку мелкого бизнеса. Требования для большой двусторонней производительности нужны для организации таких приложений, как VoIP, видеоконференция, одно-ранговой децентрализованной сети (per-to-per) организацией сети, и игры.
DOCSIS 3.0. позволяет "связывать" несколько физических каналов в один логический. Пакеты, принадлежащие одной службе могут рассылаться по всем объединенным физическим каналам.. При этом скорость передачи возрастает до 120 Мбит/с (или 160 мбит/c для EuroDOCSIS).
Стандарт также указывает на возможность применения современной системы шифрования AES. .
В нем определена групповая рассылка информации, поддержка назначенного качества связи и другие службы.
Packet Cable
PacketCable – совокупность стандартов для сетей кабельных модемов. Они разработаны по инициативе Лаборатории CableLabs. Цель этих соглашений развить архитектуру сети для доставки двухсторонних мультимедийных услуг в реальном масштабе времени из "конца в конец", основанных на протоколах IP. Packet Cable использует механизмы DOCSIS 1.1, но расширяет их за счет ряда протоколов, используемых за пределами кабельной сети, например, в Интернете или телефонной сети общего пользования. Реальный масштаб времени предполагает услуги: VoIP, поток видео, и групповые рассылки IP. Эти функции включают обслуживание абонентских устройств, сигнализацию, администрирование телефонных потоков, обеспечение взаимодействия с телефонной сетью общего пользования, поддержку биллинга, услуг передачи сообщений, безопасности, QoS и многое другое.
Особое внимание уделяется в PacketCable услугам VoIP . В этих стандартах центральное место занимает обеспечение "тройной услуги"(triple play) - видео, данных, и речевого обслуживания. Несмотря на то, что спецификация PacketCable multimedia разработана на базе PacketCable 1.x, для организации мультимедийных сетей не обязательно повторять всю архитектуру, необходимую для передачи VoIP. Операторы могут внедрить только телефонию или только мультимедиа, или же в одной сети могут сосуществовать оба режима. PacketCable базируется на основе систем кабельной сети DOCSIS 1 .1-и для DOCSIS 2.0. пакет спецификаций. PacketCable позволяет создать законченные решения для передачи трафика, который отправляется из кабельной сети или принимается в ней. Его использование упрощает задачу предоставления мультимедийных услуг через инфраструктуру, в состав которой входят разноплановые сети.
Составляющие сети PacketCable
Часть компонентов сети PacketCable входит в состав базовой сети DOCSIS 1.1. Другую часть составляют дополнительные компоненты, позволяющие сформировать целостную инфраструктуру установки соединений. Когда возможно, в PacketCable применяются уже существующие протоколы.
(рис 6.20) СетьPacketCable
Сеть включает следующие компоненты (рис 6.19):
Кабельный модем стандарта DOCSIS 1.1/2.0. Эти стандарты поддерживают QoS динамических потоков DQOS, необходимую для работы Packet Cable.
CMTS стандарта DOCSIS 1.1/2.0
Оконечный мультимедийный адаптер MTA multimedia terminal adapter) — абонентское устройство, подключаемое к телефону или другому оконечному устройству сети PacketCable. Спецификация определяет два типа MTA — интегрированный с кабельным модемом или отдельный. Последний подключается к кабельной сети с помощью кабельного модема DOCSIS 1.1(2.0).
Сервер администрирования соединений CMS (Call Management Server) — головной сервер, обеспечивающий формирование сигнализации, позволяющей абонентским MTA устанавливать связь между собой. CMS использует протокол NCS (Network-based call signalling), который обеспечивает идентификацию и авторизацию MTA, маршрутизацию потока и поддерживает некоторые особые функции типа трехстороннего соединения. В зависимости от размера и сложности, сеть Packet Cable может включать несколько CMS серверов.
Шлюзовой контролер (GC- Gate Controller) — центральный сервер, управляющий работой входных шлюзов сети PacketCable. Он проверяет, имеет ли абонентский адаптер право на использование требуемых сетевых ресурсов, после чего отдает CMTS команду сформировать шлюзы для прохождения услуги. GC ответствен также за координацию работы двух комплектов шлюзов формируемых для установки. Шлюзовой контроллер может быть реализован на том же сервере, что и сервер администрирования соединений. Cеть PacketCable может включать несколько GC, но определенным соединением всегда управляет только один сервер.
Сервер фиксации соединений (RKS — Record keeping server) — сервер, предназначенный для сбора информации о соединениях и расположенный между сетью Packet Cable и серверами обработки информации о соединениях, в первую очередь биллинговым сервером. Для сбора необходимой информации у CMTS и других серверов PacketCable RKS использует протокол RADIUS (Remote Authentication Dial-Up User Service). Архитектурные особенности PacketCable могут быть отражены следующими свойствами:
Такое же или лучшее качество речи, чем в коммутируемой телефонной сети общего пользования (PSTN)- путем применения соответствующего кодирования высокого качества, и одновременно уменьшение задержки и фазовых дрожаний. Модель DQoS, обеспечивает резервирование пропускной полосы в магистрали и обеих конечных точках только на время соединения. По его окончании ресурсы сразу освобождаются для других услуг.
PacketCable позволяет кабельным операторам предоставлять не только передачу данных и мультимедийные услуги в реальном масштабе времени, согласуя их передачу по всей задействованной инфраструктуре. Эти услуги могут охватывать базовые функции телефонии, включать ее расширенные возможности или предусматривать широкий спектр мультимедийных услуг. Широкое распространение IP в качестве стандартного транспортного механизма в сетях передачи данных создает условия для реализации современных Интернет-приложений, таких как мультимедийная электронная почта, чаты в реальном времени, потоковые медиауслуги (включая музыку и видео) и видеоконференции. PacketCable позволяет кабельным операторам реализовать сетевую архитектуру для быстрой и экономичной доставки этих услуг, сильно расширив функциональные возможности своей сети.
В дополнение качеству речи, другое ключевое требование обеспечение для потребителя всех функциональных возможностей Коммутируемой Телефонной Сети Общего Пользования (PSTN). Это также требует предоставления надежности и избыточности сетевых компонентов, чтобы получить коэффициент готовности сети не менее 0,99999.
Система сигнализации Сигнализации процесса установления вызова -Packet Cable – должна быть такая, чтобы поддержать установление вызовов между кабельной сетью и Коммутируемой Телефонной Сетью Общего Пользования (PSTN) при местных, междугородних и международных вызовах, должна обеспечивать и дополнительные виды обслуживания, такие как, например, ждущий вызов и запрос номера, вызывающего абонента.
Распределенное Качество обслуживания - PacketCable включает стандарты распределения Качества обслуживания при обращении к сети, приоритетных абонентов, для которых можно будет изменять качество обслуживания в процессе обслуживания вызова, например, службы спасения, справочные службы. Одной из важнейших функциональных особенностей сети PacketCable является динамическое обеспечение требуемого качества услуг (DQoS). Эта функция аналогична DQoS, поддерживаемому DOCSIS 1.1, с тем исключением, что DOCSIS 1.1 позволяет использовать DQOS для авторизации и прохождения услуги в кабельной сети, но не резервирует ресурсы для ее передачи по всей инфраструктуре. Расширение действия DQOS на все каналы прохождения услуги позволяет гарантировать доставку услуги с требуемым качеством и препятствует ее несанкционированному использованию другими лицами.
Системы наблюдения и обслуживания – при связи с Коммутируемой Телефонной Сети Общего Пользования (PSTN) функциональные возможности включают системы, способные к наблюдению и управлению потенциально миллионами Серверов Управления Вызовом вызова абонентов (CMS - Call Management Server), Мультимедийными Оконечными согласующими устройствами (адаптерами – MTA- Multimedia Terminal Adapter), Управляющими устройствами шлюзов (MGC – Media Gateway Controller), и приемо-передающими управляющими устройствами (Signaling Controller) для связи с Коммутируемой Телефонной Сетью Общего Пользования (PSTN). Для эффективной работы PacketCable требуются операционные системы и управление сетью такие как, например, - также ключ, так что множество управляющих систем и систем учета нагрузки оплаты.
Безопасность и регулирующее наблюдение - эти меры требуются такие же или более серьезные меры, чем для сети общего пользования. Архитектура PacketCable позволяет реализовать требования акта CALEA (Сommunucations Assistance for Law Act) о предоставлении телекоммуникационных транспортных структур для помощи правоохранительным организациям в проведении розыскных работ, санкционированных судом.
PacketCable позволяет предоставлять им информацию двух типов:
Идентификационные сведения: сеть может предоставить идентификационые сведения о входящих и исходящих соединениях интересующей точки.
Содержание: сеть может предоставить сведения о содержании информации, переданной во время соединения, иначе говоря, полную запись разговора.
Так как сеть PacketCable работает поверх DOCSIS 1.1, на нее распространяются все механизмы безопасности, предусмотренные DOCSIS 1.1. Кроме того, спецификации PacketCable регламентируют использование современного протокола шифровки AES (Advanced Encryption Standard), который в конце 2001-го года был принят в США качестве стандарта для защиты коммерческих услуг, предоставляемых в частных сетях. Степень защиты информации, предусмотренная спецификацией PacketCable, аналогична реализуемой в телефонных сетях общего пользования. спецификацией PacketCable, аналогична реализуемой в телефонных сетях общего пользования.
Притом что DOCSIS в гибридной сети и сети PacketCable предоставляют многофункциональные услуги. Операторы кабельной сети могут предложить услуги IP по стоимости меньшей, по сравнению с общедоступной сетью PSTN, с добавлением новых услуг.
Пример оборудования CMTS - System CISCO uBR10012. Это серия маршрутизаторов CMTS, которая поддерживает спецификации DOCSIS 1.1, Евро DOCSIS 1.1, и PacketCable 1.0. Полностью нагруженный, блок содержит 12 слотов. Он рассчитан на поддержку свыше 44 000 пользователей. Он использует 8 плат линейного комплекта, с резервными процессорами через два слота и резервной синхронизацией платы управления тактовыми генераторами. Есть четыре быстродействующих WAN порта для к сети IP и внешние сетевые подключения, а также поддержка динамической транспортировке пакетов OC 48 соединений потока "пользователь сеть". Две из этих систем вписываются в Telco семифутовую стойку. Основной офис концентратора мог бы иметь один или более CMTS в зависимости от намерений оператора.
Packet Cable использует механизмы DOCSIS 1.1, но расширяет их за счет ряда протоколов, используемых за пределами кабельной сети, например, в Интернете или телефонной сети общего пользования.
[Спецификации Packet Cable и её задачи в сетях DOCSIS 1]
На сегодняшний день выпущено 4 комплекта спецификаций PacketCable — 1.0, 1.1, 1.2 и PacketCable multimedia.
Спецификации PacketCable 1.х охватывают практически все аспекты доставки услуг бытовой телефонии с использованием техники VoIP. Эти функции включают обслуживание абонентских устройств, сигнализацию, администрирование телефонных потоков, обеспечение взаимодействия с телефонной сетью общего пользования, поддержку биллинга, услуг передачи сообщений, безопасности, QoS и многое другое.
Платформа PacketCable multimedia расширяет базовые возможности PacketCable 1.X для предоставления более широкого спектра IP-услуг, от видео по требованию и интерактивных игр до дистанционного управления и телеметрии.
Несмотря на то, что спецификация PacketCable multimedia разработана на базе PacketCable 1.x, для организации мультимедийных сетей не обязательно повторять всю архитектуру, необходимую для передачи VoIP. Операторы могут внедрить только телефонию или только мультимедиа, или же в одной сети могут сосуществовать оба режима.
Таким образом, пакет спецификаций PacketCable позволяет создать законченные решения для передачи трафика, который отправляется из кабельной сети или принимается в ней. Его использование упрощает задачу предоставления мультимедийных услуг через инфраструктуру, в состав которой входят разноплановые сети.
Динамическое обеспечение качества услуг
Одной из важнейших функциональных особенностей сети PacketCable является динамическое обеспечение требуемого качества услуг (DQoS). Эта функция аналогична DQoS, поддерживаемому DOCSIS 1.1, с тем исключением, что DOCSIS 1.1 позволяет использовать DQOS для авторизации и прохождения услуги в кабельной сети, но не резервирует ресурсы для ее передачи по всей инфраструктуре.
Расширение действия DQoS на все каналы прохождения услуги позволяет гарантировать доставку услуги с требуемым качеством и препятствует ее несанкционированному использованию другими лицами.
Резервирование ресурсов в рамках PacketCable 1.X может быть реализовано только в сети с DOCSIS с версией не ниже 1.1. В качестве опции для MTA, не интегрированных с модемами, может использоваться протокол RSVP (Resource Reservation Protocol).
Двухэтапная процедура резервирования ресурсов
Модель DQOS, регламентируемая PacketCable, предусматривает двухэтапную процедуру резервирования, при которой сначала резервируются ресурсы, а затем активизируется выполнение услуги. Предварительная процедура резервирования позволяет убедиться, что ресурсы, необходимые для установления соединения, имеются с обеих сторон.
Краткие итоги
Локальная сеть Ethernet — наиболее широко используемый протокол локальной вычислительной сети.
Традиционная Локальная сеть Ethernet использует CSMA/CD (множественный доступ с опросом несущей и разрешением конфликтов) со скоростью данных 10 Mbps и доменом конфликта 2500 метров.
Каждая станция имеет равное право на среду (коллективный доступ): если в среде нет данных, станция может начать передачу данных; если две станции, следящие за средой, находят, что она не занята, и начинают посылать данные, возникает конфликт, называемый коллизией.
Уровень звена передачи данных Локальной сети Ethernet состоит из подуровня LLC (управления логической связью) и подуровня MAC (управления средой доступа).
Подуровень управления средой доступа несет ответственность за работу CSMA/CD (множественного доступа с опросом несущей и разрешением конфликтов).
Подключающие устройства могут соединять вместе сегменты сети; они могут также соединять вместе сети, чтобы создать Internet.
Есть пять типов подключающих устройств: ретрансляторы, концентраторы, мосты, маршрутизаторы и коммутаторы.
Ретрансляторы восстанавливают сигнал на физическом уровне.
Концентратор — многовходовой ретранслятор.
Мосты имеют доступ к станционной адресации и могут отправлять или фильтровать сетевые пакеты. Они работают на физическом уровне и уровне линии звена передачи данных.
Маршрутизаторы определяют путь, который должен пройти пакет. Они работают на физическом уровне и уровне линии звена передачи данных.
Коммутатор уровня два — сложный мост; коммутатор уровня три - сложный маршрутизатор.
Каждая станция на Ethernet имеет уникальный адрес на 48 битов, закрепленный на её интерфейсной сетевой карте (NIC).
Обычная реализация 10-Mbps Ethernet — 10BASE5, 10BASE2, 10BASE-T и 10BASE-FL.
Быстрый Ethernet — CSMA/CD со скоростью передачи данных 100 Mbps и области разрешения конфликтов 250 метров.
Обычная реализация быстрой Локальной сети Ethernet — 100BASETX, 100BASE-FX и 100BASE-T4.
Локальная гигабитная сеть Ethernet имеет скорость передачи данных 1000 Mbps. Обычная реализация — 1000BASE-SX, 1000BASE-LX, и 1000BASE-T.
Сеть Ethernet первой мили обеспечивает связь для абонентского доступа по медным проводам (EFM-C) -на короткие и большие расстояния, по оптическому волокну в режиме "точка – точка" и "от точки ко многим точкам".
Для широкополосной связи на абонентском участке применяются кабельные сети. Они строятся на основе коаксиальных и/или оптических кабелей. Широкополосные передача по кабелю данных и предложение сервисов были следующими после телевидения приложениями кабельных сетей на абонентском участке.
Кабельное телевидение есть сеть вещания, которая распределяет программы по потребителям.
Для управления информацией по кабелю и расширения диапазона на концах передачи и приема систем устанавливают (рис 3.1) кабельные модемы (CMTS –Cable Termination CTMS).
Абонентская сеть с установкой системы кабельных модемов при соединении "вниз" такая сеть работает как обычная вещательная сеть кабельного телевидения.
При частотном разделении предусматривается и выделение обратных каналов (каналы "вверх"), которые переносят управляющую информацию от абонента в сеть Интернет – поставщика услуги.
Данные потока "пользователь-сеть" (вверх), в настоящее время для уменьшенных требований ширины полосы частот, помещены в окно 2 МГц, частотной полосе на 5 - 42 МГц.
Связь абонентов кабельной сети с системой кабельных модемов определяется стандартом Спецификации Интерфейса Передачи Данных по ТВ кабелю (DOCSIS -Data over Cable Service Interface Specification).
Сеть по стандарту DOCSIS - это кабеля широкополосная кабельная сеть, предназначенная для передачи данных и речи. Кабельные операторы могут применяющие DOCSIS, сопрягаются с опто коаксиальными сетями на основе стандартов HFC на основе центров. При этом мультиоператоры могут отделить себя от поставщиков телесвязи, и могут эффективно конкурировать с телефонными компаниями или поставщиками спутникового телевидения.
DOCSIS 1.1 включает в себя следующие услуги: безопасность, соглашения об Уровне обслуживания, качественная междугородняя голосовая связь VoIP , групповая рассылка IP.
DOCSIS 2.0 основывается на DOCSIS, 1.1 способности, эффективно применяет последние достижения цифровой модуляции для увеличения ширины полосы частот потока "пользователь сеть". Он повышает пропускную способность три раза по сравнению с DOCSIS 1.1 и в шесть раз по сравнению DOCSIS 1.0.
DOCSIS 3.0. позволяет "связывать" несколько физических каналов в один логический. Пакеты, принадлежащие одной службе могут рассылаться по всем объединенным физическим каналам.. При этом скорость передачи возрастает до 120 Мбит/с (или 160 мбит/c для EuroDOCSIS).
PacketCable – совокупность стандартов для сетей кабельных модемов. Они разработаны по инициативе Лаборатории CableLabs. Цель этих соглашений развить архитектуру сети для доставки двухсторонних мультимедийных услуг в реальном масштабе времени из "конца в конец", основанных на протоколах IP.
PacketCable базируется на основе систем кабельной сети DOCSIS 1 .1-и для DOCSIS 2.0. пакет спецификаций. PacketCable позволяет создать законченные решения для передачи трафика, который отправляется из кабельной сети или принимается в ней.
Сеть включает следующие компоненты: кабельный модем стандарта DOCSIS 1.1/2.0, CMTS стандарта DOCSIS 1.1/2.0, оконечный мультимедийный адаптер, сервер администрирования соединений, шлюзовой контролер, сервер фиксации соединений.
Одной из важнейших функциональных особенностей сети PacketCable является динамическое обеспечение требуемого качества услуг (DQoS). действия DQOS на все каналы прохождения услуги позволяет гарантировать доставку услуги с требуемым качеством и препятствует ее несанкционированному использованию другими лицами.
Задачи и упражнения
Что такое коллизия?
Предположим, что поступает большая нагрузка (трафик) на локальную сеть, использующую множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий, и кольцевую локальную сеть (Token Ring). В какой системе будет большая вероятность долгого времени передачи кадра? Почему?
Почему кадр в локальной сети Ethernet должен иметь минимальный размер?
Предположим, что длина кабеля в системе 10BASE5 2500 м. Если скорость распространения в тонком коаксиальном кабеле 200 000 км/с, какое время требуется для того, чтобы один бит переместился от начала сети к концу? Любые задержки в оборудовании не учитываются.
Используйте данные упражнения 4, чтобы найти максимальное время для обнаружения коллизии (конфликта) в наихудшем случае. Это случай, когда данные посылаются с одного конца кабеля, а коллизия происходит на другом конце. Помните, что сигналу надо пройти туда и обратно.
Скорость передачи данных 10BASE5 — 10 Мбит/с. Сколько времени понадобится, чтобы передать наименьший кадр? Подтвердите это расчетом.
Используйте данные упражнений 5 и 6, чтобы найти минимальный размер кадра Ethernet для номинальной работы при обнаружении коллизий.
Подуровень управления доступа к среде (MAC) Ethernet получает 42 байта от подуровня управления логическим каналом (LLC). Сколько байт заполнения должно быть добавлено к данным?
Подуровень управления доступа к среде (MAC) Ethernet получает 1510 байт от подуровня логического управления линией (LLC). Могут ли данные быть вставлены в кадр? Если нет, то, сколько кадров надо послать? Какова длина размера данных в каждом кадре?
