WAN - zpravidla polygonální
LAN - často sdílený kanál, příp. strom a přepínání
Vliv topologie na:
- rozšiřitelnost
- spolehlivost - odolnost proti výpadku síťových prvků a média
- rekonfigurovatelnost [při výpadku], automatická rekonfigurace
- výkon - zpoždění, využití přenosové kapacity, ...
Konkrétní typ sítě je svázán s určitou topologií. Některé sítě i ve více
alternativních topologiích.
Nejpoužívanější topologie
-------------------------
* Sběrnice [bus] - stavebním prvkem pasivní segment - koax, příp. TP
- pasivní médium, odolné proti výpadkům stanic
- malé zpoždění (není zpoždění na aktivních prvcích)
- neoddělitelný provoz dvojic stanic
- malá odolnost proti chybám média [a chybovému chování stanic]
- malé zpoždění příjmu vysílaného signálu, příjem všemi stanicemi
=> možnost použití deterministických i nedeterministických metod řízení
* Hvězda [star] - hub [pasivní-hlavně optické sítě / aktivní], citlivost na jeho výpadek - snadná realizace spojů bod-bod [výhodné pro použití optiky] - odolné proti výpadku stanic, citlivé na výpadek HUB
* Strom [tree, distributed star] - rozšířením hvězdy, u širokopásmových a optických sítí, strukturovaná kabeláž - vlastnosti obdobné hvězdě - metody řízení: jako u sběrnice, nebo hierarchické řízení [100VG-AnyLAN]
* Kruh [ring]
- jednosměrné 2-bodové propojení stanic => možnost kombinovat média
- základní prvek posuvný registr
- deterministické metody řízení
- citlivost na výpadek uzlu i spoje => řeší MSAU s přemosťováním
nebo dual ring (2 protisměrné kruhy zajišťující redundanci)
* Polygonální topologie - ve WAN, více cest, linky bod-bod
Poznámka: Speciální topologie - používány spíše v těsně vázaných paralelních systémech
V praxi kombinace těchto topologií daná obecným propojením různých typů
lokálních sítí.
Fyzická, elektrická a logická topologie
---------------------------------------
Fyzická topologie - podle vedení kabeláže
Elektická topologie - podle vedení signálu
Logická topologie - logický systém uspořádání jednotlivých stanic
pro metody deterministického řízení, směrování
apod. Často snaha eliminace smyček blokováním některých
linek v síti tvořící obecný graf.
- naprostá většina dnešních sítí sériový přenos * Koaxiální kabely - nesymetrické - základní pásmo: 0-150MHz, elektrické vlastnosti omezují maximální vzdálenost [stovky metrů], speciální kabely - přeložené pásmo: 50-750MHz [použití modulace], vzdálenosti řádově km, použití běžných CATV kabelů - charakteristická impedance 50 (RG-58), 70 a 93 (RG-62) Ohm - po dlouhou dobu byly v poč. sítích dominantní
* Symetrická vedení - TP - nejlevnější, vyvinula se ze snahy využít stávajících telefonních rozvodů - STP/UTP, FTP, SFTP, ... - 100m, 155 Mb/s [i více]
* Optická vlákna - vysoká přenosová kapacit - Multimode, Singlemode - odolnost proti rušení, odposlechu
Terminologie:
Kabely mohou vést z TC do jednotlivých zásuvek ve stěně, mohou se
vést samostatné kabely 4 páry UTP nebo tlustý kabel a na konci rozdělit
a vyvést do patch panelu
Kancelářské prostory: 2 x RJ45 na 10m2
Požaduje kategorii UTP5, povinně 4 páry (nižší kategorie musí být označeny)
Konektory RJ45 (8pin), Telco (50pin)+harmonika
| Třída | Max. frekvence | Příklad využití |
| A | 100 kHz | hovory, nf |
| B | 1 MHz | ISDN-S0 |
| C | 16 MHz | 10BaseT, Token Ring, 4/16 |
| D | 100 MHz | 100BaseT, B-ISDN/ATM |
Týká se kabelů, konektorů, patch-panelů
Pro každou kategorii definovány parametry až do horního mezního kmitočtu dané kategorie.
UTP1 - tradiční telefonní
UTP2 - 4Mb/s (TR)
UTP3 - (voice grade) -10 Mb/s
UTP4 - 16Mb/s
UTP5 - (data grade) 100 Mb/s, 100 Ohm, kroucení 0,5''
od ukončení
Poznámka: Zapojení vývodů RJ45 a barevné značení podle EIA/TIA 568B
1,2 - bílá-oranžová, 3,6 - bílá-zelená, 4,5-modrá-bílá, 7,8-bílá-hnědá
4,5: hlasFyzikální principy, základní pojmy
Index lomu
- poměr rychlosti světla ve vakuu a v prostředí (1,6 pro sklo)
- závislý na vlnové délce => disperse.
Chromatická disperze - tvarové zkreslení signálu vlivem závislosti zpoždění signálu na jeho vlnové délce => řešením použití monochromatických laserových diod
Zákon odrazu a lomu (Schnellův zákon), totální reflexe, mezní úhel
Numerická apertura - sin úhlu, pod kterým může paprsek do vlákna maximálně vstoupit, aby se dále šířil
Zdroje světla: LED, laserové diody (GaAs-850 nm, AlGaAs-1300 nm, InGaAs-1500 nm)
detektory: PIN diody, lavinové diody (Si, Ge, InGaAsP)
Kódování: pulsně (světlo-tma) - problém s disperzí, při vyšších rychlostech se impulsy začnou překrývat.
Poznámka: Možný způsob kompenzace disperze: solitony = speciálně tvarované pulsy (vztah k hyperbolickému kosinu) - disperze se vyruší
Paprsek se šíří s více úhly odrazu [vidy] => různé délky drah šíření => rozptyl světelného výkonu v čase - vidová disperze, hlavní limitující faktor pro použitelnou vzdálenost.
Jádro (křemenné sklo dopované např. gernaniem) a funkční ochrana (křemenné sklo)
Vlákna pracují v oblastech 850 nm a 1300 nm. Zdroj záření LED, laser.
Primární ochrana průměr 250 µ m.
Index lomu má zpravidla gradientní průběh => opatření proti disperzi Gradientní vlákna omezují počet vidů při zachování průměru jádra [což je výhodné pro snazší spojování].
Charakteristické parametry:
| . | 50/125 µ m | 62/125 µ m |
| optický útlum dB/km | 850 nm: <2,4; 1300 nm: <0,6 | 850 nm: <2,7; 1300 nm: <0,6 |
| šířka pásma MHz*km | 850 nm: <1000; 1300 nm:<1500 | 850 nm: <300; 1300 nm:<1000 |
| numerická apertura | 0,20 | 0,275 |
Použití pro páteřní telekomunikační trasy (až 70 km bez opakovačů).
Průměr jádra okolo 10 µ m.
Zdroj záření laser.
Charakteristické parametry:
| . | oblast 1310 nm | oblast 1500 nm |
| optický útlum dB/km | <0,35 | <0,22 |
| chromatická disperse ps/(nm*km) | <3,5 | <18 . |
| mezní vlnová délka (cut-off) nm | 1215+- 65 | 1215+- 65 |
Ochrana vláken před mechanickým, teplotním a chemickým namáháním, před působením UV záření, ...
Provedení podle místa a způsobu instalace
vnitřní/vnější, dielektrické/s metalickými prvky, samonosné, do země,
k zafouknutí do trubky, provedení bez vývinu halogenů
Podmínky pro instalaci: minimální poloměr ohybu (proti mikrotrhlinám), maximální tahové zatížení (trvalé, instalační),...
Poznámka: polymerní vlnovody - pro přenos dat nevhodné, použití v řídících systémech (spínání fototyristorů,...), v medicíně, dekorativní,...
Parametry spoje: Vložný útlum, útlum zpětného odrazu, ...
Zalamování
Spojování
Konektory ST,SC,FC
Konektorování: vlákno-konektor, pig taily+svařováníOptické rozvaděče.
Problém: většina přenosů počítačového charakteru má shlukový charakter
(poměr zatížení špička-průměr i 1000:1), takže je problematické
vyhradit konstantní přenosovou kapacitu pro takovýto spoj
Pokud médium přenáší větší šířku pásma, než vyžaduje jeden přenosový kanál, můžeme
nechat více kanálů sdílet jedno přenosové médium (multiplexovat jednotlivé
kanály na společnou přenosovou cestu).
* Frekvenční multiplex (FDMA, Frequency Division Multiple Access)
- modulace, filtrace, problém neúplného využití pásma vlivem nutnosti odstupu
pásem, příp. problém částečného překrytí pásem [otázka strmosti použitého
analogového filtru]
- efektivní pro fixní počet uživatelů, z nichž každý kanál pokud možno
plně využije
Př.: Standard v telekomunikacích: hlasové kanály 4000Hz [včetně odstupu],
12 kanálů tvoří group [60-108kHz], 5 group tvoří supergroup,
5 supergroup tvoří mastergroup
Zvláštní případ-vlnový multiplex:
- v optice, princip: hranol => může jít o čistě pasivní systém => spolehlivost
- použití dnes zejména v přístupových sítích FTTC [Fiber-to-the-Curb]
* Časový multiplex (TDMA, Time Division Multiple Access)
- sloty organizovány do periodicky se opakujících rámců,
nutnost synchronizace (bitové i rámcové).
- nevýhoda synchronního TDM: pevné přidělení slotů => neodpovídá nárazovému
charakteru požadavků stanic
=> řešením asynchronní TDMA (statistický časový multiplex, ATM)
Časový multiplex dnes používanější, lepší adaptabilita a ovladatelnější jen
s použitím software.
Deterministické vs. nedeterministrické metody. Významné parametry: - zpoždění při nízké zátěži - efektivita využití kanálu při vysoké zátěži (srovnání kolizních a bezkolizních metod).
původně na rádiové síti, Havajské ostrovy
1) Prostá aloha - stanice vysílají bez ohledu na cokoliv
- časový limit pro potvrzení, při vypršení náhodné pozdržení
(aby nedošlo k opakované kolizi) a opakování pokusu.
Kolizní slot: 2*t0 [t0-doba pro vyslání rámce]:
- dvojnásobek t0, protože rámec bude zarušen koncem jiného rámce, pokud ten
začne v předchozím timeslotu, nebo začátkem rámce, pokud začne v aktuálním
timeslotu.
- kolizní slot udává, kolik času se nejvýše ztratí na nevyužití kanálu
vlivem kolize
Poznámky:
Při takovéto metodě může být kanál statisticky využit nejvýše na 18%. Rámec opakován průměrně 3x. Pokles průchodnosti pro rostoucí celkový tok.Průběh závislosti využití kanálu na vnucovaném datovém toku
2) Taktovaná aloha (slotted aloha)
- vysílat se smí začít jen v okamžicích začátků časových úseků pro odeslání
jednoho rámce
- kolizní slot je poloviční (t0, doba vysílání rámce):
S=G.exp(-G), extrém při G=1, S=1/e=37%.
Střední hodnota počtu retransmisí:
pravděpodobnost, že nedojde ke kolizi: exp(-G), že dojde: (1-exp(-G)).
Pravděp., že se podaří odeslat právě po k retransmisích:
Pk=exp(-G)*(1-exp(-G))^k (pravděp. že se jednou povede a k-krát nepovede)
střední hodnota počtu retransmisí: SUM[k*Pk], k=1..INF = exp(G).
=> exponenciální závislost, malý vzrůst zátěže může významně zvýšit
počet opakování a snížit průchodnost kanálu.
=> při překročení určité mezní zátěže: zablokovaný stav, pravděpodobnost
přenosu nepoškozeného rámce klesá k nule => nezbytná explicitní
modifikace parametrů sítě.
3) Řízená aloha - řízená změna intenzity opakování podle stavu sítě:
vyšší intenzita opakování => rychlejší předání rámce, při blížícími
se zablokování se intenzita sníží
Změna intenzity opakování heuristická, obvykle backoff [ustupování],
intenzita klesá s počtem neúspěšných pokusů.
Ethernet: exponential backoff, prodloužení střední doby prodlevy po každém
pokusu na dvojnásobek.
Případně sledování provozu na kanále [poměru neobsazených slotů]
a nastavování intenzity, aby celková zátěž kanálu nepřesáhla G=1.
Použití pro rádiové a družicové sítě, kde velké zpoždění signálu zamezuje příposlech
u vlastního vysílání.
- skupina metod náhodného přístupu s příposlechem nosné, tj. využití
znalosti o obsazení kanálu
Podmínky pro aplikaci: dokonalá slyšitelnost stanic, malé zpoždění signálu
(což platí v LAN)
(Pro a->1 má efektivitu horší, než aloha).
1) CSMA (naléhanící CSMA, 1-persistant CSMA)
- před odesláním rámce se testuje stav kanálu, je-li obsazen, odloží se
vysílání na okamžik jeho uvolnění. Riziko kolize stanic čekajících
na uvolnění kanálu. Při obsazení kanálu čekání náhodnou dobu před dalším
pokusem.
2) Nenaléhající CSMA (non-persistant CSMA)
- při detekci obsazeného kanálu se počká náhodnou dobu pak opět test obsazení.
Čekací doba se obvykle volí jako k-násobek doby průchodu signálu sběrnicí.
3) p-naléhající CSMA (p-persistant CSMA)
- při obsazení kanálu v okamžiku potřeby vysílání se počká na uvolnění kanálu
(nebo byl volný okamžitě), pak se s pravděpodobností p začne vysílat,
s pravděpodobností (1-p) se počká krátký interval, pak se opakuje
do úspěšného odeslání rámce. Volbou p lze nastavit optimální využití kanálu
pro danou zátěž.
Pro p=1 jde o naléhající CSMA.
Metody CSMA samy o sobě nezajišťují stabilitu, je nutné aplikovat vhodnou metodu
řízení pro udržení kanálu v pracovní oblasti (např. snižovat intenzitu
opakování, resp. parametr p u p-naléhající CSMA)
Průběh závislosti průchodnosti kanálu na zátěži pro jednotlivé varianty CSMA
4) CSMA/CD
- CSMA s detekcí kolize (sledování vlastního vysílání)
- před vysíláním musí být na médiu klid po dobu kolizního slotu
- jinak postup odpovídá naléhající CSMA
- okamžité ukončení vysílání po detekci kolize - kanál se zbytečně nezaplňuje
rámcem, který je stejně zkolidován
- závislost maximální délky segmentu na rychlosti šíření signálu;
vztah s dobou vysílání rámce a minimální délkou rámce
Maximální doba do zjištění kolize je 2t (dvojnásobek doby šíření signálu mezi
nejvzdálenějšími stanicemi):
stanice A začne vysílat, po době t (těsne před přijetím signálu od A) začne
vysílat B, A zjistí kolizi až po dalším t, dohromady 2t
=> kanál se dá modelovat jako taktovaná aloha s délkou kolizního intervalu 2t
- problém v případě dlouhých dob šíření a krátkých rámců
Pozn.: Nutnost kódování, které umožňují detekci kolize (otevřený kolektor,
měření napětí na médiu generovaného proudovými zdroji vysílačů).
Pozn.: Použití v Ethernetu:
Binary exponential backoff:
Po kolizi čas rozdělen do slotů 2*t, pro nejdelší délku (2,5 km +
4 repeatery] je to 51.2 usec, tj. 512 bitových intervalů
. Po k-té kolizi se čeká náhodný počet slotů z intervalu <0,2^k-1)
(max. 1023), po 16 pokusech se to vzdá.
Při detekci kolize stanice vysílá kolizní signál [jam], aby kolizi rozpoznaly
všechny kolidující stanice=>uvolnění media do doby trvání posloupnosti + 2t.
O opakování se stanice pokusí až po náhodné časové prodlevě, stabilitu
metody nutno zajistit řízením intenzity opakování.
4) CSMA/CA (Collision Avoidance): rezervace intervalu po odvysílání rámce
pro potvrzení (v předchozích metodách jsme na potvrzení nahlíželi
jako na přídavnou zátěž).
Další zajímavé kolizní metody (řídce užívané)
- jedna stanice vyhrazena jako řídící (master), ta přiděluje kapacitu kanálu
ostatním [podřízeným] stanicím. Výhodou efektivita, ale nutnost obětovat část
kapacity kanálu pro komunikaci s masterem. Závislost sítě na řídící stanici.
> Přidělování na výzvu
- nejstarší, původně v terminálových systémech nad protokoly BSC a HDLC
>> Cyklická výzva - vyzývaná stanice buď vyšle rámec, nebo odmítne výzvu,
příp. neodpoví. Použitelné pro malé zpoždění na kanále.
Rozumné pro vysoké využití kanálu; pro malé zatížení
a velký počet stanic neefektivní.
>> Binární vyhledávání - pro kanál, u kterého může stanice rozpoznat, zda
vysílá jedna nebo více stanic. Při malém zatížení
a velkém počtu stanic je efektivní vyhledávat stanici
připravenou vysílat binárním vyhledáváním.
Stanice se zorganizují do stromu podle jednotlivých bitů adres,
řídící stanice postupně vyzývá skupiny stanic, aktivní stanice
ve vyzvané skupině odpoví signálem na sdíleném kanále. Pokud
stanice zjistí, že je jediná, která odpovídá, může začít vysílat;
jinak se výzva posune o jednu úroveň dolů ve stromu.
Rychlejší pro malé zátěže.
Modifikace: Metoda adaptivní výzvy: pokud přizpůsobíme úroveň, od které
procházíme strom aktuální zátěži.
> Přidělování na žádost
- žádosti od stanic přicházejí k řídící stanici po vyhrazenych kanálech,
vyhrazených kanálů se v klasických počítačových sítích LAN/WAN prakticky
nepoužívá, spíše u sběrnic počítačů. Použití možné i v rádiových sítích,
využití vyhrazeného nízkorychlostního podkanálu časového multiplexu.
- nezávislé na řídící stanici
> Rezervace kanálu
rezervační rámec, charakter bitové mapy (sloty o délce aspoň 2*t, počet
slotů odpovídá počtu zůčastněných stanic), ve svém slotu může každá stanice
požádat o přidělení slotu v datovém kanále, datové sloty následují podle
okamžitého požadovaného počtu za rezervačním rámcem.
Neefektivní pro velký počet stanic na rozlehlé síti s malou zátěží.
Na prázdném kanále neustálé opakování rezervačních slotů.
> Binární vyhledávání
stanice nejprve [synchronizovaně] postupně vysílají bity své adresy od
nejvyššího řádu, na sběrnici se logicky sčítají [OR]. Jakmile stanice vysílá
0 a čte 1, chce vysílat někdo s vyšší prioritou a stanice musí zmlknout.
=> režije pouze log2(N), srov. s rezervačním rámcem o N bitech (N je
počet stanic).
Po rozhodnutí o právu vysílání vyslán jednoho datového rámce, pak opět
dohoda o kanál.
Vhodnou adresací lze řešit prioritu stanic.
Opatření proti monopolizaci kanálu: virtuální adresy, rotace adres v rámci
pevného očíslování vždy po odvysílání rámce.
> Logický kruh [Token Passing Bus]
adresy stanic tvoří cyklickou posloupnost, každá stanice zná svou adresu
a adresu následníka. Mezi stanicemi se cyklicky předává právo k vysílání
(token). Stanice vlastnící token smí vysílat, do určité doby však musí předat
token následníkovi. Problém počátečního ustavení posloupnosti, odpojování
a připojování stanic do logického kruhu za provozu (rekonfigurace).
Velké zpoždění při malé zátěži a velkém počtu stanic.
> Virtuální logický kruh
stanice s adresou m sleduje provoz na médiu a dojde-li po ukončení vysílání
stanice n k uvolnění média na dobu ((m-n) mod N)*t, kde t je doba šíření
signálu médiem a N počet stanic, pak stanice m může začít vysílat.
(Jinak řečeno: po odvysílání rámce je každý další stanici vyhrazen časový
interval, kdy smí začít vysílat, nevyužije-li jej, následuje interval další
stanice )
Nutnost synchronizace stanic.
V oblasti malých zátěží efektivnější než logický kruh.