Elementy sieci

Budowa sieci LAN opartej na protokole Ethernet podlega wielu regułom. Nie można np. stosować dowolnie długich kabli lub dowolnej liczby przełączników w układzie kaskadowym. Nieprzestrzeganie jednej z tych reguł jest ciągle jeszcze częstą przyczyną problemów. Niepotrzebne obciążenie sieci może spowodować również niekorzystnie dobrana struktura sieci.

Budowa sieci LAN opartej na protokole Ethernet podlega wielu regułom. Nie można np. stosować dowolnie długich kabli lub dowolnej liczby przełączników w układzie kaskadowym. Nieprzestrzeganie jednej z tych reguł jest ciągle jeszcze częstą przyczyną problemów. Niepotrzebne obciążenie sieci może spowodować również niekorzystnie dobrana struktura sieci.

Mając pewien zasób wiedzy o budowie Ethernetu i sieci, koncepcji modelu warstw ISO/OSI i najważniejszych protokołach sieciowych możesz z góry zapobiec wielu problemom.

W tym rozdziale omówimy na praktycznych przykładach najważniejsze aspekty Ethernetu, podstawowe pojęcia i funkcjonowanie różnych komponentów.

Ethernet - współdzielony środek transmisji danych

Tak się wszystko zaczęło. Pierwszy szkic Ethernetu. Autor - dr Robert Metcalfe.

Tak się wszystko zaczęło. Pierwszy szkic Ethernetu. Autor - dr Robert Metcalfe.

Fundamentalna zasada, na której zbudowano Ethernet, nosi nazwę CSMA/CD. Z niej wywodzą się wszystkie pozostałe reguły projektowania sieci ethernetowych. CSMA/CD to Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection. Carrier Sense oznacza, że stacja wysyłająca dane nasłuchuje najpierw przez chwilę, czy właśnie nie nadaje lub nie próbuje nadawać inna stacja. Tę chwilę określa się mianem Interframe Gap. Nadawać można tylko wtedy, gdy nośnik jest wolny.

Multiple Access oznacza, że bezpośrednio po wysłaniu pakietu stacja może ponownie skorzystać z nośnika w celu wysłania kolejnego pakietu. W innych technologiach, np. Token Ring, musi ona odczekać, aż ponownie otrzyma uprawnienia do nadawania w postaci tokena.

W Ethernecie może się więc zdarzyć, że nasłuchują (Carrier Sense) jednocześnie dwie stacje i zaczynają nadawać mniej więcej w tej samej chwili. Aby tego uniknąć, wszystkie stacje nadające muszą przeprowadzić Collision Detection. Stacje rozpoznają kolizję po tym, że sygnały elektryczne obu przekazów nakładają się na siebie. W takim przypadku emitowany jest sygnał JAM, który informuje wszystkie podłączone stacje, że wysłany pakiet jest nieważny. Obszar sieci objęty sygnałem JAM nazywany jest Collision Domain.

Kolizje

10 Mb/s

10 Mb/s

Choć nazwa "kolizje" sugeruje, że dzieje się coś złego, w rzeczywistości tak nie jest. To zjawisko naturalne w wypadku współdzielonego nośnika, jakim jest Ethernet, i zwykle w ogóle nie warto zawracać sobie nim głowy. Trzeba jednak pamiętać o dwóch ważnych aspektach:

1. Kolizja musi być wykryta jeszcze podczas nadawania, żeby stacja nadająca wiedziała, który pakiet musi wysłać ponownie.

2. Sygnały elektryczne mają określony czas przebiegu. Musi więc minąć pewien czas, zanim sygnał JAM dotrze do nadajnika, a ten rozpozna na tej podstawie kolizję. Do tej chwili stacja nie może zaprzestać nadawania, ze względu na zasadę określoną w punkcie 1.

100 Mb/s

100 Mb/s

Stąd wynika potrzeba określenia minimalnej wielkości pakietu, żeby proces nadawania trwał dostatecznie długo. Za mała wartość umożliwiałaby kontrolę jedynie bardzo krótkiego odcinka między stacjami; zbyt duża powodowałaby marnotrawienie przepustowości sieci, gdy trzeba wysyłać małe pakiety. Konsorcjum zajmujące się normowaniem Ethernetu ustaliło, że minimalna wielkość pakietu ma wynosić 64 bajty (=512 bitów).

W przypadku Ethernetu 10Mb 512 bitów przesyłanych jest w ciągu 51,2 mikrosekund; Fast Ethernet potrzebuje na to tylko 5,12 mikrosekundy. Aby uniknąć zamieszania, czas, np. wartości opóźnień wprowadzanych przez kable i urządzenia, liczy się w jednostkach zwanych czasem bitowym, a nie w mikrosekundach. Wartość uwzględnia czas przejścia sygnału w obie strony, tak więc suma czasów bitowych na najdłuższej drodze nie przekracza 512.

Poniżej podajemy zestawienie typowych wartości, wnoszonych przez aktywne i bierne komponenty sieci:

Późne kolizje

Czasy bitowe w sieciach Fast Ethernet

Czasy bitowe w sieciach Fast Ethernet

Jeżeli maksymalna ścieżka między dwoma urządzeniami końcowymi jest dłuższa niż 512 czasów bitowych - choćby z powodu zbyt długich kabli lub zbyt wielu repeaterów po drodze - wówczas w przypadku małych pakietów zostaje naruszona zasada, że kolizja musi być wykryta jeszcze w trakcie nadawania. Stacja nadająca kończy nadawanie i nie "zauważa", że kolizja dotyczyła właśnie jej transmisji. W związku z tym nie wysyła danych ponownie, a przecież wysłane pierwotnie dane są stracone.

Nie powoduje to wprawdzie załamania sieci, ponieważ jej wyższe warstwy prędzej czy później ponownie wyślą pakiet z powodu braku odpowiedzi. Efektem są jednak znaczne opóźnienia i nieprawidłowa praca aplikacji sieciowych (wydłużony czas reakcji).

Jak rozpoznać późną kolizję?

Lekki chaos. Repeater rozsyła nadchodzący sygnał do wszystkich portów.

Lekki chaos. Repeater rozsyła nadchodzący sygnał do wszystkich portów.

Ponieważ zwykle długość większości pakietów przekracza 512 bitów, stacja nadająca mimo wszystko na ogół wykrywa kolizję, jakkolwiek później, niż można by tego oczekiwać. Większość kart sieciowych zapisuje takie zdarzenia w liczniku, który można wykorzystać do celów diagnostycznych.

Powodem występowania późnych kolizji może być nieprzestrzeganie standardów okablowania; kolejna możliwość to uszkodzenie kart sieciowych. Uszkodzona karta "nie zauważa", że właśnie nadaje inna stacja i rozpoczyna transmisję, co prowadzi do powstania kolizji. Występowanie późnych kolizji sygnalizuje również duża liczba błędów CRC - stacja może precyzyjnie ustalić, czy miała do czynienia z zakłóceniem w kablu, czy też z późną kolizję.

Komponenty - hub/repeater

Repeater to urządzenie, które wzmacnia sygnały elektryczne między segmentami kabla. Odcinek skrętki nie może np. być dłuższy, niż 100 metrów, gdyż w przeciwnym razie jakość sygnału gwałtownie spada. Repeater o wielu portach to hub.

Ponieważ repeater przesyła dalej wszystkie sygnały elektryczne - a więc również kolizje - wszystkie stacje dołączone do repeatera należą do domeny kolizyjnej (Collision Domain). Dlatego, choć można łączyć szeregowo (kaskadować) wiele hubów, żeby pokryć większe odległości lub podłączyć więcej stacji, trzeba pamiętać o uwzględnieniu - z uwagi na kolizje - czasów opóźnień.

Reguły stosowania repeaterów

Wzorowy porządek. Przełącznik wysyła pakiet danych tylko do portu docelowego. Dzięki temu PC1 może wysyłać dane do PC3, a PC3 jednocześnie do PC2.

Wzorowy porządek. Przełącznik wysyła pakiet danych tylko do portu docelowego. Dzięki temu PC1 może wysyłać dane do PC3, a PC3 jednocześnie do PC2.

Ethernet o szybkości 10 Mb/s daje jeszcze stosunkowo dużo swobody, ze względu na dość elastyczną synchronizację taktowania. Mimo to, oprócz podstawowej zasady nieprzekraczania opóźnienia 512 czasów bitowych, obowiązuje jeszcze kilka żelaznych reguł.

Reguła 5-4-3 - droga między dwiema stacjami może składać się z maksymalnie pięć segmentów kabla, a więc można zastosować najwyżej cztery repeatery. Spośród pięciu segmentów maksymalnie w trzech może pracować stacja końcowa. W wypadku okablowania opartego na skrętce z kaskadowanymi hubami między dwiema stacjami końcowymi mogą się znajdować maksymalnie cztery huby.

Huby w sieciach Fast Ethernet

W sieciach Fast Ethernet są dwie klasy repeaterów. Repeatery Class I mają maksymalne opóźnienie w wysokości 168 bitów i stosowane są tam, gdzie współpracują ze sobą różne nośniki fizyczne - np. segmenty oparte na skrętce i światłowodowe. Na drodze przesyłanych danych może się znajdować najwyżej jedno takie urządzenie. Repeatery klasy II wprowadzają maksymalne opóźnienie o wartości 92 czasów bitowych, a więc przy maksymalnej długości kabla w jednej ścieżce mogą pracować dwa urządzenia. W przypadku okablowania Cat5 domena kolizyjna obejmuje niemal 200 metrów.


Zobacz również