Fyzická vrstva. Proč tedy něco o F.V. vědět?

Transkript

1 Fyzická vrstva Pro většinu uživatelů jsou protokoly na F.V. ty naprosto odtažité protokoly, popisující signály na konektorech na zadní straně PC, na které je připojen kabel propojující počítač s počítačovou sítí To samé bohužel často platí i o tzv. odbornících na P.S Uživatelé starosti o fyzickou vrstvu přenechávají technikům, o kterých se domnívají, že to jsou lidé, kteří natahují dráty a případě na nich něco měří nějakým voltmetrem nebo čím. Uživatelé se většinou zabývají až IP-protokolem (resp. síťovými protokoly). V IP-protokolu už totiž vidí nebo nevidí servery či sousedy. Kdežto fyzická a linková vrstva zajišťuje pouze komunikaci s nějakou krabičkou na půl cesty k serveru, o které běžný uživatel ani neví, že tam je. Proč tedy něco o F.V. vědět? 1

2 Fyzická vrstva Znalost protokolů a technologií F.V. je důležitá zejména: při budování sítě, bez znalosti chování zařízení na F.V. není možné vybudovat kvalitní a stabilní síť v případě, kdy chceme dostat ze sítě maximum a samozřejmě v momentě, kdy se objeví problémy se sítí 2

3 Vlastnosti přenosových tras 3

4 Reálné vlastnosti přenosových cest přenosové cesty nejsou nikdy ideální vždy negativně ovlivňují přenášený signál vykazují: útlum (zeslabuje přenášený signál) zkreslení (deformuje přenášený signál) šum (tepelný šum součástek, slunce, radioaktivita, ) přeslech (pronikání signálu z jiných vedení) 4

5 Vliv útlumu a zkreslení ideální přenosová cesta útlum R vliv R C zpoždění / zkreslení L vliv L,C 5

6 Vliv šumu a rušení ideální přenosová cesta 1 zdroj rušení 0 1 podprahové rušení zdroj rušení 0 1 nadprahové rušení 0 6

7 Důsledky každá přenosová cesta přenáší některé signály lépe a jiné hůře záleží zejména na frekvenci změn přenášeného signálu a na povaze těchto změn některé signály by přenosová cesta pokazila tak, že nemá smysl je touto přenosovou cestou přenášet jestliže je kvalita přenosové cesty mnohem vyšší, než je nutné pro přenesení signálu, není přenosová cesta plně využita a přenos obvykle není ekonomický 7

8 Důsledky při zpracování signálu záleží na okamžiku vyhodnocení a rozhodovací úrovni signál je nutné vyhodnotit ve vhodném okamžiku, kdy již došlo k ustálení po změně, ale ještě se neprojevuje následující změna rozhodovací úroveň je nutné umístit tak, aby rušení mělo na vyhodnocení co nejmenší vliv při nadprahovém rušení nelze vyloučit chybné vyhodnocení signálu Nelze nalézt takový okamžik vyhodnocení a rozhodovací úroveň, aby bylo zaručeno bezchybné vyhodnocení signálu lze určit pouze při podprahovém rušení! je nutné zajistit správnou tzv. časovou synchronizaci! 8

9 Časová synchronizace pro přenos a vyhodnocení signálu je potřebný určitý časový interval signál se po modulační změně musí ustálit přijímač potřebuje pro vyhodnocení signálu určitý čas přijímač musí být informován o tom, že došlo k modulační změně současně s daty je nutné nějak přenášet informaci o tom, ve kterých časových okamžicích se má signál vyhodnotit 9

10 Hodinový signál hodinový signál je v časovém vztahu s daty určuje, ve kterém okamžiku jsou data platná hodiny logická doba platnosti dat okamžik vzorkování data logická 0 10

11 Metody odvození hodinového signálu hodinový signál se přenáší po samostatném vodiči hodinový signál se přenáší současně s daty hodinový signál lze také nějak zakódovat do přenášených dat

12 Modulace v základním pásmu Potřebujeme-li přenášet dvojková data po signálových vodičích, můžeme obě možné hodnoty, 0 a 1, reprezentovat pomocí úrovní napětí na vodiči. Např. 1 = +5V a 0 = 0V Používají se ovšem i složitější způsoby vyjádření logických hodnot pomocí úrovní napětí 1 = nenulový signál 1 = změna fáze 0 1 =, 1 0 = 1 = signál beze změny 1 =, 0 = Všechny tyto způsoby přenosu jsou souhrnně označovány jako přenosy v základním pásmu - baseband transmissions 12

13 Problém základního pásma Mnohé přenosové cesty (např. běžné telefonní okruhy apod.) jsou vzhledem ke svým fyzikálním vlastnostem pro přenos v základním pásmu prakticky nepoužitelné Zatímco jiná média (např. koaxiální kabely) sice pro přenos v základním pásmu můžeme využít, ale nikoli s maximální možnou efektivitou Alternativou k přenosu v základním pásmu je přenos v přeloženém pásmu - broadband transmission je přenášen takový signál, který se daným přenosovým médiem šíří nejlépe (s nejmenšími ztrátami) typicky jde o pravidelně se měnící signál sinusového průběhu (tzv. harmonický signál) Jak dojde k přeložení signálu? pomocí modulace modulátor / demodulátor 13

14 Modulace Modulace je proces, při kterém je ovlivňován vysílaný signál přenášenou informací Příklad: přenášíme data rychlostí 56Kbit/s budeme je přenášet pomocí WiFi v pásmu 2,4GHz informací o malé rychlosti 56Kbit/s budeme nějak ovlivňovat signál o frekvenci 2,4GHz Modulovaným signálem je většinou harmonický signál a modulačním signálem jsou přenášená data 14

15 Modulace v přeloženém pásmu Příklady nejpoužívanějších modulací V praxi se samozřejmě používají i jejich kombinace 15

16 Modulační a přenosová rychlost modulační rychlost udává, s jakou frekvencí se mění signál měří se Baudech [Bd] nic neříká o vlastní rychlosti přenosu dat rychlost přenosu dat nezávisí jen na tom, s jakou frekvencí se mění signál, ale také na tom, kolik informace nese signál v době mezi dvěma změnami přenosová rychlost vyjadřuje objem dat, přenesených za jednotku času měří se v bitech za sekundu [b/s] neříká nic o frekvenci změn přeneseného signálu +5V -5V V +2.5V -2.5V -5V může být vyšší i nižší! 2 1 úrovní = 1b inf. jedna modulační změna 2 2 úrovní = 2b inf. 16

17 Příklady: Ethernet: přenosová rychlost = 10Mb/s používá fázovou modulaci Manchester u kódu Manchester jsou k přenesení 1 bitu informace potřebné 2 změny signálu Telefonní modem V.34: modulační rychlost = 3200Bd používá kvadraturní modulaci QAM, n = 512 signál mezi změnami může nabýt celkem 2 9 = 512 rozlišitelných stavů, tj. v jednom modulačním kroku se přenese 9 bitů informace modulační rychlost je dvojnásobkem přenosové, tj. 20MBd přenosová rychlost je devítinásobkem modulační, tj b/s 17

18 Představa spektra signálu U[V] Každý signál je možné si představit v: časové oblasti Fourierova transformace a frekvenční oblasti U[V] 0 t [s] 0 F [Hz] Například telefonní signál zabírá rozsah 300Hz až 3000Hz U[V] šířka pásma telefonního signálu 0 0.3KHz 3KHz F [Hz] Se šířkou pásma a vyjádřením ve spektru se budeme ještě setkávat 18

19 Pásmová propusť Představme si pásmovou propusť, která dokáže přenášet signály od 0Hz do cca 2000Hz a signály s vyšší f hodně tlumí útlum[db] 0 0.3KHz 2KHz F [Hz] frekvenční charakteristika naší pásmové propusti je vidět že se jedná o tzv. dolní propusť (protože propouští dolní kmitočty) Jak bude vypadat telefonní signál po průchodu touto dolní propustí? U[V] U[V] šířka pásma telefonního signálu šířka pásma oříznutého signálu 0 0.3KHz 3KHz 0 F [Hz] 0.3KHz 2KHz 3KHz vidíme původní signál a tzv. oříznutý po průchodu propustí F [Hz] 19

20 Jak souvisí modulační rychlost se vzorkováním signálu? Mějme signál o modulační frekvenci f mod který budeme vzorkovat Vzorkování = snímání v diskrétních okamžicích za účelem převodu např. přijatého signálu v přijímači do digitální podoby okamžiky vzorkování U[V] 0 t [s] vzorkovaný signál U[V] 0 T = 1 / f mod správně navzorkovaná data t [s] vzorkovali jsme s rychlostí f vz = 2x f mod 20

21 Jak souvisí modulační rychlost se vzorkováním signálu? Co když budeme tentýž signál vzorkovat rychleji? například se 4 násobnou frekvencí (Tn = T/4) U[V] okamžiky vzorkování vzorkovaný signál 0 t [s] U[V] správně navzorkovaná data t [s] je vidět, že jsme získali znovu stejný průběh pouze máme dvojnásobné množství hodnot, které ho popisují, to ale nevadí, spíše naopak když budeme vzorkovat 10x rychleji, už budou 1ky a 0ly pěkně popisovat průběh signálu 21

22 Jak souvisí modulační rychlost se vzorkováním signálu? Co se ale stane, když tentýž signál budeme vzorkovat pomaleji? například s rychlostí f vz = 1.8 x f sig U[V] 0 okamžiky vzorkování t [s] vzorkovaný signál U[V] 0 T vz = T sig /1.8 T = 1 / f sig chybně navzorkovaná data t [s] 22

23 Nyquistovo kritérium projde li signál přes pásmovou propust (kabel, vedení, filtr...) se šířkou pásma H, pak je nutné snímat stav přijímaného signálu alespoň dvojnásobnou rychlostí (neboli s frekvencí 2H) aby z něj bylo vyždímáno" vše, co může reprezentovat. současně s tím pan Nyquist přišel i na to, že snímat stav přijímaného signálu rychleji nemá smysl, - proč? protože veškerou další informaci (kterou mohly přispět vyšší harmonické složky) již odřezala zmíněná pásmová propusť. to také ale znamená, že nemá cenu do pásmové propusti pouštět rychleji se měnící signál, protože změny rychlejší než H neprojdou tedy: šířka_pásma = ½ v modulační neboli známější vyjádření v modulační = 2*šířka_pásma 23

24 Zvyšování přenosové rychlosti možné zdroje zvyšování: šířka přenosového pásma obvykle vyžaduje změnu přenosového média a zvýšení ceny (nákladů) počet stavů přenášeného signálu (stupeň modulace) stupeň modulace nelze zvyšovat donekonečna! čím více stavů, tím jsou hůře rozlišitelné intuitivně: při překročení určitého stupně modulace (počtu stavů signálu) již příjemce nebude schopen tyto stavy od sebe rozeznat exaktně: +5V +2.5V -2.5V -5V kde leží ona hranice? na čem je závislá?

25 Shannonův teorém Odpověď dal až: Claude Shannon: hranice je dána šířkou přenosového pásma a kvalitou přenosové cesty šířka pásma (SP) nám udává maximální použitou modulační rychlost a kvalitu můžeme popsat odstupem signálu od šumu (udává, kolikrát je užitečný signál silnější než šum) číselně: max. přenosová rychlost v p max [b/s] = v mod (nebo 2 * SP) * log 2 (n) kde n je počet od sebe odlišitelných stavů ale kolik to je? 300 nebo nekonečno? log 2 (n) = log(n) / log(2) 16 úrovní log 2 (16) = 4b inf. ale to je vlastně také parametr přenosové cesty v p max [b/s] = SP * log 2 (1 + signál/šum) Hranice závisí pouze na vlastnostech přenosové cesty! nikoli na použité modulaci nebo stupni technologie 25

26 Konkrétní příklad: telefonní linka Běžná analogová telefonní linka (pro hlas): SP: 300Hz 3400Hz kvalitní linky dosahují odstup sig./šum zhruba 1000:1 např. užitečný signál 10Všš a šum 10mV Po dosazení v p max [b/s] = 3100 * log 2 ( ) 30kbit/s V praxi existují modemy s přenosovými rychlostmi 33,6 kbit/s (V.34) je to v rozporu se Shannonovým teorémem? s rychlejšími modemy se již nesetkáme využívá se i postranních pásem kde pokažení signálu ještě není zcela fatální Vyjímkou jsou 56Kbit modemy (V.92) U nich ale odpadá jeden A/D převodník Data se od ústředny až k účastníkovi přenášejí digitálně 26

27 (Efektivní) přenosový výkon přenosová rychlost je veličina nominálního charakteru neříká udává pouze kolik bitů se přenese za časovou jednotku zda se bity přenášejí rovnoměrně nebo nárazově (po blocích) které bity jsou užitečné a které režijní objem užitečných dat, přenesených za jednotku času, vyjadřuje tzv. přenosový výkon měří se v bitech za sekundu postihuje: režii přenosových mechanismů a formátů režii potřebnou pro zajištění spolehlivosti (opakování přenosů)... 27

28 Přenosový výkon a přenosová rychlost faktory snižující přenosový výkon oproti přenosové rychlosti: různé druhy režie faktory zvyšující... komprese přenášených dat záleží na vzájemném poměru obou vlivů přenosový výkon může být i vyšší než přenosová rychlost příklad: telefonní modemy s vestavěnou on-line kompresí přenosová rychlost 28,8 kb/s (nominální) při max. kompresi mezi modemem a počítačem data tečou až 4x rychleji, tj. rychlostí 115,2 kb/s 28

29 Příklady přenosových cest 29

30 Přenosové cesty linkové (drátové) koaxiální kabely pro přenos v základním i přeloženém pásmu optické vlákno mnohovidové jednovidové kroucená dvoulinka nestíněná (UTP) stíněná (STP) bezdrátové rádiové mikrovlnné radioreléové satelitní optické... 30

31 Linkové přenosové cesty Hz rádio mikrovlny infračerv. UV RTG gamma viditelné světlo kroucená dvoulinka koax. kabel optická vlákna khz MHz GHz THz 10 Hz 31

32 Bezdrátové přenosové cesty Hz rádio mikrovlny infračerv. UV RTG gamma viditelné světlo AM rádio FM rádio TV satelity mikrovlnné spoje laserové, optické spoje khz MHz GHz THz 10 Hz 32

33 Sériový a paralelní přenos dat Data je možné přenášet v paralelní nebo sériové podobě při paralelním přenosu je přenášeno několik bitů informace najednou, po několika vodičích tato forma je obvyklá spíše v případě sběrnic např. v PC druhou možností je sériový přenos dat, kdy jsou jednotlivé bity informace přenášeny postupně za sebou tato forma je v oblasti PS nejrozšířenější Než se seznámíme s konkrétními realizacemi na úrovni F.V. je nutné si vysvětlit několik pojmů 33

34 Diferenciální a asymetrický signál U sériových rozhranní bývají většinou dva tipy signálů: příjem dat (Receive) vysílání dat (Transmit) V případě dvou vodičů na jeden signál (např Rx+ a Rx-) hovoříme o symetrickém či diferenciálním signálu příklad V.35, X.21, Ethernet s kroucenou dvolinkou... =1V = 1 =-1V = 0 směr vysílání +0,5V -0,5V -0,5V +0,5V Je-li každý signál realizován jedním vodičem (např. Rx) proti zemi pak jde o asymetrický signál příklad V.24 (např. sériový port na PC), Ethernet s koaxiálem =5V = 1 =-5V = 0 směr vysílání +5V -5V GND = 0V 0V 0V 34

35 Synchronní a asynchronní signál Data lze po sériových linkách přenášet několika způsoby: synchronně data se přenášejí po jednotlivých bitech a vzdálenosti mezi nimi jsou pevně určeny asynchronně jednotlivé bity nejsou přenášeny v přesně daných časových okamžicích Zvláštním případem je tzv. arytmický přenos dat přenos slov je asynchronní, ale přenos jednotlivých bitů v rámci slova je již synchronní 35

36 Režimy přenosu Přenášíme li data sériovou formou, může být přenos: Simplexní přenos může probíhat pouze jedním směrem (opačným směrem nelze data přenášet) často se vyskytuje u kruhové topologie Poloduplexní přenos může probíhat střídavě oběma směry (po jednom vodiči) 10BASE5, 10BASE2... Duplexní (často plně duplexní) přenos může probíhat oběma směry současně (po samostatných vodičích) 100BASE-TX, 10BASE-F, RS232 36

37 Konkrétní realizace na F.V. Jednou z nejjednodušších realizací PS je forma využívající sériový přenos pomocí sériových portů PC Na starších PC je možné nalézt sériové porty označované COM1-n vybavené řídícími obvody UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter) Pomocí sériových portů je možné realizovat dvoubodové spoje Častějším využitím je spojení s modemem U nových PS sériové porty většinou nenalezneme Ve většině případů bývají simulovány sw pomocí USB převodníků PC RS232 37

38 Sériový přenos dat Princip přenosu dat mezi PC a modemem: 38

39 Sériový přenos dat Konkrétní příklad přenosu slova zabezpečení paritou sudá parita = 1 při sudém počtu 1 lichá parita = 1 při sudém počtu 0 Na základě těchto vlastností je vidět jaké parametry je třeba při přenosu nastavovat Zapamatuj!! Např. nastavení N1 znamená: rychlost přenosu dat 9600 bitů/s 8 datových bitů, žádná parita, jeden stopbit 39

40 Sériové rozhraní Sériové rozhranní obsahuje signály: sloužící k vlastnímu přenosu dat: TD, RD sloužící k řízení přenosu: RTS, CTS, DSR, DTR, DCD, RI zemní signály: ochranná zem FG, signálová zem SG a další (pomocné hodiny, diagnostická smyčka...) je tedy duplexní Příklad dialogu PC - modem 40

41 Rychlosti sériových portů Komunikaci pomocí sériových portů řídí obvody UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter) Tyto obvody je možné programově nastavit pomocí mnoha parametrů bohužel systém je velice primitivní, před komunikací, je třeba všechny parametry nastavit ručně Což koneckonců uvidíme na cvičeních Rychlosti komunikace dat pomocí sériových portů jsou: u starších PC s obvody řady max. 115Kbit/s to může způsobovat problémy, např. komprese MNP5 u 56Kbit. modemů u novějších PC až 1Mbit/s My se s komunikací pomocí sériových portů setkáme v několika případech: velmi intenzivně jí budeme využívat v případě nastavování CISCO zařízení pomocí tzv. konzole připojené pomocí sériových portů dále v případě cvičení věnovaného komunikaci pomocí modemů v případě propojení CISCO routerů mezi sebou pomocí vysokorychlostních sériových portů Základní principy sériového přenosu však uvidíme ve všech dalších technologiích (Ethernet, optická vlákna...)!!! 41

42 Strukturovaná kabeláž 42

43 Strukturovaná kabeláž První lokální PS používaly především koaxiální kabely Dnes již převažuje použití kroucené dvoulinky a optických vláken Časem se vyvinula ucelená a dobře propracovaná představa o tom, jak by se takovéto rozvody měly budovat dnes se prakticky všechny nové síťové rozvody budují podle zásad tzv. strukturované kabeláže Je dobré si uvědomit, že jde jen o ryze pasivní rozvody součástí strukturované kabeláže nejsou koncové uzly ani nejrůznější síťové prvky typu rozbočovačů, mostů a směrovačů... 43

44 LAN, strukturovaná kabeláž LAN - 100ky m až km Strukturovaná kabeláž komplex řešení nízkonapěťových datových rozvodů telefonní rozvody, LAN, zabezp. sys... Celá budova Zásuvky v jednotlivých místnostech Ze zásuvek v místnostech jsou kabely vedeny na propojovací panely (jeden nebo více / budovu) Proč panel? - flexibilní přepojování, zásuvka může cestovat s uživatelem 44

45 Strukturovaná kabeláž Propojovací panel bývá spolu s AP případně např. TU umístěn v jedné místnosti Propojení mezi propojovacím kabelem a AP se realizuje pomocí tzv. Patch Cord kabelů Rozvody od zásuvek na propojovací bloky jsou poměrně drahou záležitostí (stavební úpravy) snaha o maximální kvalitu snaha o využití stávající kabeláže 45

46 Pojem kvalita datových rozvodů Existují normy pro rozvody např. tzv kategorie podle EIA/TIA: kategorie 5 - dodavatel garantuje práci v šířce pásma do 100MHz (nezávisle na použitém protokolu Ethernet, Token Ring...) kategorie 5E pracuje rovněž v pásmu 100MHz (125MHz), ale vyžaduje nový způsob měření (více parametrů) a v některých parametrech je přísnější dnes nejpoužívanější kategorie 6 (třída E) s šířkou pásma 250MHz kategorie 7 (třída F) s šířkou pásma 600MHz - tato kategorie dnes není standardizována dříve existovaly i nižší kategorie, ty dnes ale již nejsou aktuální kategorie 3 (třída C) do 16MHz (možná 25MHz)??? kategorie 4 do 20MHz??? Pozor! kategorie neznamená pouze typ kabelu certifikací prochází strukturovaná kabeláž jako celek: důležité jsou i konektory, zásuvky ve zdech, stínění, způsob a kvalita provedené montáže... 46

47 Kategorie datových rozvodů Frekvenčního rozsahu je dosaženo konstrukcí stínění v kabelu - což se samozřejmě projeví na ceně Kategorie 7: plně stíněný kabel a stíněný propojovací HW Z důvodu veliké šířky pásma bude potřebovat nejkvalitnější čtyřpárové kabely STP. Dojde k mnoha změnám. Např. dnes oblíbené konektory RJ45 již zřejmě nebudou frekvenčně vyhovovat. 47

48 Metalické datové rozvody V dnešní době se měděné rozvody provádějí pomocí kroucených dvojlinek zakončených vhodnými koncovkami původně telefonní kabel - kroucením sníženo rušení pro sítě začala používat IBM (Token Ring) rozlišují se dvě základní varianty: nestíněná (Unshielded Twisted Pair, UTP stíněná (Shield Twisted pair, STP) FTP - kabely stíněné fólií ISTP - kabely s individuálně stíněnými páry spíše rozšiřující označení používaná některými výrobci 48

49 Rušení: běžná dvoulinka Odolnost běžné dvoulinky je velice nízká Vnější zdroj rušení Používá se pouze pro spec. záležitosti Rx Tx+ Používá se také v telefonních vedeních Rx- =zarušení z okolí Tx- Tx+ + + Rx+ Tx- =vzájemné rušení + + Rx- =vyzařování do okolí 49

50 Řešení: kroucená dvoulinka Odolnost datového vedení lze podstatně zvýšit zkroucením párů Vnější zdroj rušení Toto je typické u datových kabeláží Rx+ Rx- + - Tx- Tx+ Tx+ + - =0 Rx- Tx- =0 + - =0 Rx+ 50

51 Fyzické zapojení Častá chyba Vedení je sice z obvodového hlediska zapojeno správně Z vysokofrekvenčního hlediska se však jedná o extrémně špatné zapojení Smyčky se dokonce překrývají - vysoký stupeň zarušení Přenos dat nebude fungovat vůbec, nebo s vysokou chybovostí!!! Smyčky dvou páru se vzájemně překrývají -dokonce horší varianta, než samostatné nekroucené páry 51

52 Čtyři páry v jednom kabelu Proč se v kabelech vedou 4 páry (8 vodičů)? většina rozvodů strukturované kabeláže je vedena klasickými kabely se čtyřmi páry přitom chceme li komunikovat duplexně a diferenciálně tak potřebujeme: RX+ a RX- TX+ a TXtedy 2 páry (4 vodiče) při připojení PC do zásuvky se tedy 4 vodiče vůbec nepoužívají!!! Důvod: další dva páry se použijí na: druhou datovou zásuvku dva tel. přístroje využijí se perspekt. viz dále... 52

53 Zakončovací impedance I. Pokud nemá být signál postupující po vedení zkreslen, musí být vedení tzv. správně zakončeno Při nesprávně zakončeném vedení se signál odrazí (zkreslen) Odražený signál (zkreslený) se vrací po vedení a sčítá se s původním 53

54 Zakončovací impedance II. Na nesprávně zakončeném vedení dochází k odrazům některé pulzy se sečtou a mají amplitudu větší než původní jiné (v protifázi) se odečtou a výsledkem je pulz s malou amplitudou či nulovou Extrémními případy jsou: rozpojené vedení - přetržený kabel pulz se vrací ve fázi, dojde k součtu amplitud signálů zkratované vedení kdy se pulz vrací v protifázi - dojde k odečtu amplitud tak jednoduché Tato vlastnost je pro nás velmi důležitá: to není fáze je nesprávně zakončené vedení nebude fungovat závislá také na charakteru vedení zkrat i rozpojené vedení lze detekovat 54

55 Zakončovací impedance III. Zakončovací prvky každé datové vedení je třeba zakončovat! aktuální je tento fakt zejména u vedení s koaxiálním kabelem, tedy např. 10BASE2 - musíme použít 50Ω zakončovací prvky, nesprávně tzv. terminátory ale i vedení s kroucenou dvoulinkou je nutné zakončovat! Zakončovací prvek s přizpůsobovacím transformátorem v NIC Z Konektory RJ45 Zakončovací prvek s přizpůsobovacím transformátorem v NIC Z vzhledem k dvoubodovému charakteru spojení je však zakončovací prvek přidán do zařízení už výrobcem Kroucená dvoulinka Reakce na zkrat / rozpojené vedení je možné využít při jejich detekci tzv. reflektometrickým měřením zkusíme v podstatě radar si lze zjistit zkrat / rozpojené vedení s přesností na m. 55

56 Ethernet 56

57 Geneze Ethernetu Koncepci LAN a Ethernetu formuloval Bob Metcalf z Palo Alto Research Center firmy Xerox v roce 1973 při řešení pilotní úlohy vzájemného propojení 100 minipočítačů na 1km propojil je koaxiálním kabelem o rychlosti 2,9Mb/s přístup ke sdílenému médiu zajišťovala metoda odvozená z radiových sítí: ALOHA tak vznikl název Ether-net, kde pojem Ether označoval původní přenosové médium - el.mag. vlnění První komerčně dostupná verze Ethernetu (1982) byla společným projektem firem Digital, Intel a XEROX (DIX Ethernet, Ethernet II) Dnešní podoba je standardizována organizací IEEE (řada standardů IEEE 802) a pochází již z roku 1985, ale neustále se vyvíjí Dnes existuje celá řada verzí od 10Mbit/s - 10Gbit/s (včetně Wireless...) 57

58 Vlastnosti Ethernetu Ethernet používá sběrnicovou topologii (logickou, popřípadě i fyzickou) to znamená, že všechny uzly mají přístup k hlavnímu segmentu (trunk) Pracuje většinou v základním pásmu sítě označené Base (baseband) - základní pásmo sítě označené Broad (broadband) - přeložené pásmo např. 10Broad-36-10Mbit Eth. po TV rozvodech Používá kódování Manchester 58

59 Vlastnosti Ethernetu Kódování Manchester self-clocking kódování, odpadají hodiny diferenciální signál (jednoduché galv. oddělení) uprostřed každého bitového intervalu se vyskytuje přechod z jedné úrovně do druhé výhodné pro synchronizaci potřebuje dvojnásobnou šířku pásma bit 1 je kódován -U +U bit 0 je kódován +U -U +U t U 59

60 Síťová karta BOOT paměť HW (MAC) adresa přidělená výrobcem signalizační diody MAU s galvanickým oddělením RJ45 konektor BNC konektor AUI konektor 60

61 Ethernet 10Mbit/s 10BASE5 dnes již nepoužívaná verze tzv. tlustý koaxiální kabel 10mm RG-8, Z 0 =50Ω MAU mimo síťovou kartu (tzv. Drop kabel, max. 50m) připojení konektorem AUI - univerz. kon. poloduplexní, kolizní 10Mbit. Eth. pro tloušťku kabelu obtížná instalace 61

62 Ethernet 10Mbit/s MAU = Media Attachment Unit 10BASE5 segment až 500m max 5 seg. 2,5km max. pouze 100 stanic na segment max. 300 uzlů v síti jednotlivé stanice připojeny tzv. tenkým koaxiálním kabelem - později se vyvinulo v 10BASE2 62

63 Konektor AUI AUI = Attachment Unit Interface NIC v 10BASE5 se připojovaly pomocí konektoru AUI velmi univerzální 15pin. konektor vyskytuje se na některých spec. zařízeních dodnes - proč? na konektoru se nacházejí: diferenciální vysílací a přijímací signály řídící signály napájecí vodiče pomocí tohoto rozhranní je tak možné snadno realizovat redukce, které nepotřebují napájení dále je velmi jednoduché převést signál z diferenciální podoby na jinou Proto tyto konektory najdeme stále na většině testerů, routerech... 63

64 Ethernet 10Mbit/s 10BASE2 lze najít v mnoha firmách, které budovaly síťovou infrastrukturu v 90tých letech levnější, ale méně prozíravé řešení 10BASE sítě v porovnání s 10BASE- T, poloduplexní, kolizní 10Mbit Eth. tzv. tenký koaxiální kabel 5mm RG-58, Z 0 =50Ω MAU na desce BNC konektor délka segmentu 185m maximálně 5 segmentů přes 4 opakovače 925m exist. i spec. 300m varianta min. vzdál. mezi stanicemi 0.45m 30 uzlů / segment max. 90 uzlů v síti 64

65 Ethernet 10Mbit/s Infrastruktura sítě 10BASE2 sběrnicová topologie při přerušení kabelu - nezakončená síť - výpadek celé sítě zakončovací člen počítač MAU síťová karta počítač MAU zakončovací člen koaxiální kabel počítač MAU T-člen konektor BNC 65

66 Ethernet 10Mbit/s 10BASE-T hvězdicová topologie RJ45 + kroucená dvoulinka UTP plně duplexní může být nekolizní společné medium tvoří opakovač nebo port přepínače MAU na desce prozíravé řešení - možnost přejít na 100BASE-T v případě použití vhod. kategorie kabeláže koexistence s vyššími technologiemi ještě stále lze často najít nově používáno např. některými WiFi a dalšími low-speed zařízeními odpadají externí zakončovací členy 66

67 Ethernet 10Mbit/s 10BASE-T první síť používající reálně kroucenou dvoulinku při přerušení kabelu nastane výpadek pouze v daném segmentu kroucený dvojvodič konektor RJ-45 aktivní prvek tvořící základ topologie HUB/SWITCH síťová karta počítač MAU počítač MAU počítač MAU 67

68 Topologie 10BASE-T maximální délka segmentu je 100m při použití kabelu STP až 400m při spojení na větší vzdálenost je třeba řadit HUBy kaskádovitě: pravidlo 5-4 max. 5 segmentů propojených 4 HUBy max. 100m (400m) max. 500m (2000m) Hub A Hub B Hub B Hub C max. 100m (400m) 68

69 Konektor RJ45 Měděné rozvody se dnes nejčastěji provádějí pomocí svazků kroucených dvojlinek. Jednotlivé místnosti se opatřují zásuvkami pro konektor RJ45 Konektor RJ45 obsahuje: 8 vývodů pro 4 páry zámek pro mechanické zajištění pláště kabelu zámek pro mechanické zajištění konektoru v zásuvce Konektor RJ45 má kontakty řešeny formou samořezných nožů nasazování na kabel se provádí pomocí spec. kleští Při montáži je slušností osazovat konektor krytkou zkusíme si na cvičení 69

70 Zapojení RJ45 Nejčastěji se používá zapojení podle EIA/TIA 568B(A) - pouze doporučení Respektováním tohoto doporučení plynou jisté výhody zkusíme si na cvičení TX+ TX- RX+ TX pár TX+ TX- RX+ RX- RX pár RX- Chceme li propojit dva AP dvoubodově bez středního oddělujícího prvku (HUBu...) musíme zajistit propojení odpovídajících TX a RX párů na obou koncích kabelu musíme použít tzv. křížený (CrossOver) kabel 70

71 Další síťové konektory Kromě konektoru RJ45 se budeme ještě velmi často setkávat s konektorem RJ11 tento konektor má 6 pozic ale osazené pouze 4 kontakty používá se zejména v telefonii jde zasunout do zásuvky pro RJ45 my jej použijeme zejména při připojování modemů k TU 71

72 Ethernet 10Mbit/s 10BASE-F první standardizovaná 10Mbit. optická síť používá opt. kabely FL, FB, FP liší se zejm. dosahem používána na staré páteřní rozvody drahé řešení - málo rozšířené plně duplexní bezkolizní 72

73 Optická vlákna I. Pro přenos kritických dat, či pro přenos dat na velkou vzdálenost se často používají optická vlákna dvě vrstvy skla + ochrana optický paprsek se odráží od rozhraní sklo má nejmenší útlum pro tři vlnové délky světla 850nm 1300nm 1500nm proto se k buzení opt. sig. používá vždy jedna z těchto vlnových délek Optické vlákno je vždy simplexní spoj 73

74 Optická vlákna II. Všechna dnes používaná vlákna mají prakticky jednotný průměr 125nm, jádra jsou však dvojího průměru: vícevidová vlákna (50µm - telekomunik. vlk., nebo 62,5µm - datová) nízká cena, snažší spojování, velká NA - možnost buzení lum. diodou Vyslán pulz Přijatý pulz je zkreslen a je delší jednovidová vlákna (9µm) přenášejí paprsek bez odrazů nenastává u nich rozprostření pulzu vysoké rychlosti malý útlum - trasy až 100km (2dB / 1km) vysoká cena To silně omezuje maximální možno frekvenci 74

75 Příchod 100Mbit/s Existovalo samozřejmě více verzí ethernetu 10Mb/s 10BROAD36 - verze 10Mb/s používající technologii kabelové televize (kabel 75ohm, až 3,6km) Isochronní Ethernet (802.9a - jiná skupina než 802.3) - verze 10Mb/s, používající efektivnější modulaci (kód 4B5B) k realizaci dalšího kanálu pro synchronní přenos (ISDN), celková rychlost asi 16Mb/s!! na stejné kabeláži Dnes se nejčastěji setkáme s tzv. Hybridním Ethernetem kombinace různých technologií Postupem času přestal ale 10Mbit. ethernet dostačovat, zejména v souvislosti s nástupem multimédií 75

76 Ethernet 100Mbit/s 100BASE-TX - označován také jako: FastEthernet navazuje na 10BASE-T - z hlediska uživatele se toho moc nemění v případě, že uživatelé budovali sítě s kabeláží kategorie 5 mněli umožněn snadný přechod z 10BASE-T na 100BASE-TX topologie shodná s 10BASE-T (dop. max. 2 HUBy) přidán Auto Negotiation Protocol: volba 10/100Mbit/s a Half/Full duplex některé prvky dokáží automaticky přizpůsobovat rychlost 10 nebo 100 Mb/s - výhodné pro koexistenci omezení: v případě použití HUBu je z principu nutné zvolit v případě koexistenčních sítí 10Mb/s 76

77 FastEthernet vzhledem ke zkrácení bitové a signalizační rychlosti se změnil i dosah sítě: 100m (DTE-DTE) až 200m (DTE-opakovač-DTE) Při kódování Manchester 200MHz to nepřenese kroucená dvoulinka Proto bylo zvoleno jiné kódování: bitové kódování 4B/5B proudová rychlost 125Mb/s proud bitů je dále kódován NRZ (100BASE-FX) s frekvencí 125MHz kat.5 nebo MLT-3 (100BASE-TX) s reálnou frekvencí asi 31,25MHz podobné jako NRZ, ale 3 nap. úrovně teoret. 200MHz mnohem nižší f 77

78 Kódování 4B5B u FastEthernetu vždy 4-bitové skupiny dat (nibble) se přenášejí jako 5-bitové kombinace např jako jako jako Výstupní abeceda má dvojnásobný počet symbolů (32) než abeceda vstupní (16) výhody: lze vypustit nevhodné kombinace přebytečné kombinace lze využít pro signalizaci (např. označení začátku a konce bloku) vypuštěním nevhodných kombinací se zvětšuje kódová vzdálenost vzrůstá odolnost proti šumu 78

79 Ethernet 100Mbit/s 100BASE-FX varianta 100BASE-TX určená pro linkové segmenty s optickým vláknem nejčastěji konektory SC nebo MDIN dosah 412m (DTE-DTE), a při režimu Fullduplex 2000m 79

80 100Base-T4 málo používaná varianta, vyžadující připojení 3-4 kroucenými dvojvodiči varianta vzniklá pro nasazení na méně kvalitní kabeláži certifikované na kategorii 3 (25MHz) Konektory RJ45 Přenos je realizován pomocí 4 samostatných párů vysílací - 1,2 přijímací - 3,6 dva obousměrné - 4,5 a 7,8 Po třech párech se přenáší data s nosnou 25MHz ale v kódování 8B6T Zbývajícím párem se přenáší detekce kolize každý byte je nahrazen vzorkem, který obsahuje 6 třístavových symbolů toto kódování připraví signál kompletně k jeho vyslání a není nutné žádné další kódování typu NRZI popř. MLT-3, např: Byte Binární vyjádření 8B6T

81 Ethernet 1Gbit/s Přenosová rychlost 100 Mb/s nezůstala dlouho limitem Vznikl z iniciativy GEA (Gigabit Ethernet Alliance) Standardizován již v roce 1998 jako doporučení IEEE 803.z pro optické linky a později IEEE 802.3ab pro metalická vedení Postaven na technologiích Fiber Channel Je povoleno použití opakovačů a přepínačů a využití stávající hvězdicové topologie 81

82 Ethernet 1Gbit/s 1000BASE-LX jednovidová vlákna 9/125µm 1300 nm délka segmentu max. do 2-3km kódování 8B10B vícevidová vlákna 62,5/125µm, 50/125µm 850nm délka segmentu max. cca 500m kódování 8B10B Konektory SC nebo MT-RJ a modulární rozhraní GBIC u AP 82

83 Ethernet 1Gbit/s 1000BASE-SX jednodušší / levnější verze pouze pro vícevidová vlákna 62,5µm, 50µm buzeni infra LED diodou nm nízká cena vysílačů a přijímačů délka segmentu max. do 250m kódování 8B10B 83

84 Ethernet 1Gbit/s 1000BASE-CX zastaralý standard speciální 150Ω stíněný kabel tzv. twinaxiální vysílač i přijímač musejí sdílet společnou zem DB-9 nebo AMP HSSDC konektor max. 25m 84

85 Metalický Ethernet 1Gbit/s Standardy optického Ethernetu uživatelům nevyhovovaly Byly vhodné pro páteřní rozvody nebo pro vysoce zatížené spoje Optická vlákna jsou velmi levná Naopak extrémně drahá a složitá je: montáž konektorů napojování vláken Uživatelé tedy volali po 1Gb Ethernetu, ale vedeném po metalickém vedení tak se objevil standard 1000BASE-TX, který však přinesl určité novinky ve využívání kabeláže a také se u něj silně projevila kvalita položené kabeláže zatímco 100BASE-TX chodil prakticky po čemkoli, max. s vyšší chybovostí 1000BASE-TX vyžadoval kvalitně položenou kabeláž (jako celek) 85

86 Ethernet 1Gbit/s 1000BASE-T (TX) zásadní novinka - využívá všechny 4 páry!!! proč? pokud bychom chtěli používat pouze 2 páry (TX a RX) podobně jako u 10BASE-T nebo 100BASE-T museli bychom použít frekvenci 500MHz taková kabeláž by byla velmi drahá dosah sítě by byl velmi nízký proto se používá nižších frekvencí a nového kódování co máme? kat MHz kat. 5E - 100MHz kat MHz v budoucnu možná kat MHz 86

87 Ethernet 1Gbit/s Kódování 100BASE-T ethernet používá kódování MLT3 symbol je zakódován za 8ns = 125MHz 1000BASE-T používá PAM5 symbol je zakódován za 8ns = 125MHz ale reprezentuje 2 bity = 250Mbit/s 87

88 Ethernet 1Gbit/s 1000BASE-T (TX) zásadní rozdíl je také v topologii v závislosti na kvalitě kabeláže: v případě použití rozvodů kategorie 5E (100MHz) poloduplexní přenos po všech 4 párech se musí zároveň vysílat a pak přijímat (125MHz = 250Mbit/s) tedy 4 páry TX / RX v případě použití rozvodů kategorie 6 (250MHz) plně duplexní přenos dva páry TX (250MHz = 500Mbit/s) dva páry RX (250MHz = 500Mbit/s) uvědomte si co to znamená! v případě kat. 5E musí být přijímací a vysílací obvody schopny se přepínat - jsou komplikovanější - NIC je dražší co se ušetří na kabeláži - o to dražší budou NIC a všechna síťová zařízení! To je důvod proč již dnes pokládat rozvody kat

89 Ethernet rychlejší než 1Gbit/s Zatím pouze návrh IEEE 802.3ae 10Gbit/s Mněl by prolomit dosavadní vzdálenostní omezení a přiblížit se sítím WAN Vlastnosti: komunikace v režimu Full-Duplex, již nebudou povoleny přístupové metody (viz. příští přednáška) použití nového rozhraní XGMII již pouze optická vlákna pouze laser, nikoli LED diody dosah v řádu 10tek km (varianta 10G BASE EW až 40km) Bude existovat ve více variantách lišících se zejména variantami použitého laseru a kódování 89

90 Souhrn nejdůležitějších Ethernetových technologií 10Mb/s 10BASE-5- AUI, tlustý koaxiál 10BASE-2 - BNC, tenký koaxiál 10BASE-T - RJ45, kroucená dvoulinka 10BASE-F - optická vlákna 100Mb/s 100BASE-TX - RJ45, kroucená dvoulinka 100BASE-FX - optická vlákna 100BASE-T4 - RJ45, kroucená dvoulinka - kat Mb/s 1000BASE-LX - optická vlákna 1000BASE-SX - optická vlákna 1000BASE-CX - zastaralý návrh 1000BASE-T - RJ45, kroucená dvoulinka - kat. 5E nebo 6 90

91 Technologie FDDI FDDI (Fiber Distributed Data Interface) je síťová architektura pracující s přenosovou rychlostí 100 Mb/s Páteřní (backbone) sítě - používá se k propojení pomalejších (s nižší propustností) lokálních sítí (např. Ethernet, Token Ring) až 1000 uzlů a 100km FDDI je primárně budována pomocí optických kabelů existují modifikace i pro UTP a STP FDDI používá kruhovou topologii kruhová topologie má ale základní nevýhodu v nespolehlivosti 91

92 Technologie FDDI FDDI používá zajímavou topologii: dvojitý kruh primární kruh - používán při běžném chodu sítě sekundární kruh - záložní, v okamžiku kdy při přenosu na primárním okruhu vznikne chyba informace jsou v sek. okr. přenášeny v opačném směru Ethernet LAN DAC Primární kruh DAS server FDDI - Ethernet Bridge Sekundární kruh DAC SAC 92

93 Technologie FDDI V FDDI se mohou nacházet dva typy stanic: SAS (Single Attachment Station - stanice třídy B) pouze jeden transceiver, připojený k primárnímu okruhu stanice není připojena přímo ale pomocí koncentrátoru připojeného k oběma kruhům pokud dojde k výpadku stanice, chyba bude napravena na úrovni koncentrátoru a nezastaví chod sítě DAS (Dual Attachment Station), stanice třídy A: vybaveny dvěma transceivery, z nichž jeden je připojen k primárnímu a druhý k sekundárnímu kruhu mohou být připojeny přímo k oběma kruhům SAS Transceiver DAS Transceiver A Transceiver B In Out Prim. In Sek. Out Sek. In Prim. Out 93

94 Technologie FDDI Koncentrátory v FDDI mohou být také dvou typů: SAC (Single Attachment Concentrators) připojovány pouze k jednomu kruhu musí bý připojeny k DAS DAC (Dual Attachment Concentrators), stanice třídy A: připojovány pouze k oběma okruhům SAC DAC In Out Prim. In Sek. Out Sek. In Prim. Out 94

95 Technologie FDDI Síť FDDI se používá zejména v kritických páteřních rozvodech má totiž velkou propustnost a spolehlivost jak se toho dosahuje? K řízení přístupu se v FDDI používá metoda token-passing k řízení oprávnění vysílání po síti obíhá tzv. token - pešek v jednom okamžiku obíhá mnoho paketů, ale pouze jeden pešek Při běžném chodu probíhá komunikace takto: pokud uzel chce vyslat data do sítě, musí čekat dokud neobdrží peška po obdržení peška uzel vysílá svůj datový paket a následně posílá peška datový paket obíhá kruhem, dokud nedorazí ke svému adresátovi uzly, které nejsou adresátem přepošlou datový paket a po něm obdrží peška, který je opravňuje k vysílání adresát si zkopíruje informace z paketu do své vyrovnávací paměti a paket s informací o korektním přijetí pošle dále potvrzený datový paket nakonec dorazí ke svému odesílateli, který jej odstraní z kruhu 95

96 Technologie FDDI Přerušení primárního okruhu FDDI Ethernet LAN FDDI - Ethernet Bridge DAC Sekundární kruh DAC SAC Primární kruh DAS server Uzly (DAC nebo DAS), mezi kterými dojde k přerušení primárního kruhu přesměrují primární kruh do kruhu sekundárního (a naopak) Tok dat v sekundárním kruhu je opačný oproti směru, ve kterém data procházejí v primárním kruhu - znovu vznikne topologie kruh 96

97 Konec přednášky Příště: linková vrstva přístupové metody sdílené médium... 97

98 Poznámky, přidat 5GHz wave division multiplex WDM hranol smíchá rozloží barvy znásobuje kapacitu vlákna chybí mi něco jako obrázek s více urovněmi v jednom pulzu přidat ATM, ISDN 98

99 Modulace v přeloženém pásmu signálem se moduluje pomocný (nosný) signál 1 0 Amplitudová modulace Frekvenční modulace Fázová modulace 99

100 Příklad str 24 změna 2000x za sekundu šířka pásma 500 Hz 1300 Hz 4000 Hz 100