WPROWADZENIE
Pierwsze sieci komputerowe były typu punkt-punkt, czyli każdy łączył się z każdym. Istotą techniki LAN jest obsługa wielu użytkowników w ramach wspólnego łącza. Termin „sieć lokalna” bierze się stąd, że komputery w sieci LAN znacznie częściej komunikują się z blisko położonymi partnerami, niż z odległymi, i po drugie, komputery komunikują się wielokrotnie z tymi samymi partnerami, np. pracownicy tej samej firmy lub profesorowie tej samej uczelni.
TOPOLOGIE SIECI0WE
Topologia, to układ połączeń komputerów w sieci, np. forma gwiazdy, pierścienia lub magistrali (szyny). Omówimy połączenie szynowe, jako najbardziej powszechne, rys.1.
Wspólnym medium jest tu kabel współosiowy lub światłowód. Kabel musi być obciążony na obu końcach tzw. opornością falową 50 ohmów, aby nie było odbić sygnału. Długość kabla, to zwykle 300-500 m, odstępy między przyłączami ~ 3 m. Wynika stąd, że w jednej sieci może być 100-200 komputerów. Powiększenia robi się przez tzw. mosty.
Rys.1. Topologia szynowa sieci LAN
FORMAT MANCHESTER
Format, to rodzaj elementarnego kodowania danych. Manchester oznacza, że zamiast bezpośredniego przesyłania stanów 1 i 0, jak w RS-232, wprowadza się do szyny odpowiednie zmiany napięcia ze stanu 1 do 0 lub odwrotnie. Czyni się to dokładnie w połowie bitu wejściowego. Operacja ma związek z zakłóceniami – detektory pewniej wychwytują zmiany. Jeśli przykładowo ciąg bitów wejściowych ma postać:
1 0 1 1, to po „zakodowaniu” Manchester w kabel zostają wysłane półbity
01100101
Jak widzimy, stany 1 są reprezentowane przez parę zwężonych bitów 01, a stany 0 przez parę 10. Częstotliwość zmian (pasmo kanału) ulega więc dwukrotnemu zwiększeniu.
PROTOKÓŁ ETHERNET
Protokół Ethernet (802.3) został opracowany w Xerox Corporation Research Center w Paulo Alto (USA) w latach 80. Określa on wszelkie szczegóły komunikacji szynowej, w tym format ramek i parametry sygnałów: częstotliwości, napięcia, impedancje, modulacje, czyli tu formatowanie. Jednym z ważniejszych dalszych szczegółów jest inicjowanie początku ramki przez tzw. flagę albo preambułę, czyli 64 bity 101010...10. Taki układ bitów znakomicie ułatwia przystosowanie (synchronizację) odbiornika do rytmu dyktowanego przez nadajnik.
PROTOKÓŁ CSMA/CD
Ethernet, ściśle protokół CSMA/CD określa także zasady przydziału medium transmisyjnego poszczególnym komputerom. CSMA oznacza: carrier sense medium access, a CD – collision detection. Jest to ważny protokół, który każe każdemu komputerowi nasłuchiwać, czy w kablu występuje sygnał nośny (carrier) i tylko w przypadku ciszy zezwala na emisję. Jeśli mimo to dwa komputery, np. znajdujące się na końcach kable rozpoczną emisję jednocześnie, to nastąpi interferencja i powiadomienie obu o odrzuceniu dostępu. Wówczas komputery stosują się do zasady wykładniczego oczekiwania, tzn. każdy czeka przez losowo wybrany czas przed ponowną emisją, przy tym za każdym powtórzeniem kolizji podwaja czas oczekiwania aż do pewnej granicy, np. 32d, gdzie d całkowity czas przebiegu sygnału przez kabel (70% prędkości światła).
SIECI BEZPRZEWODOWE
Sieci bezprzewodowe, komunikujące się na falach radiowych (2,4 GHz) rządzą się podobnymi zasadami, jak sieci kablowe i światłowodowe. Stosowane są dwie odmiany, tzw. sieci prowizoryczne, samoregulujące dostęp (Ad Hoc) oraz sieci dostępowe (AP), w których przydział medium odbywa się przez jedną wydzieloną stację AP (access point).
Rys.3. Dwie odmiany sieci – prowizoryczna i dostępowa
Obojętnie w jakiej sieci komunikacja się odbywa obowiązuje zgłoszenie potrzeby dostępu komunikatem RTS –request to send oraz potwierdzenie przyjęcia tego zgłoszenia CTS – clear to send. Jest to konieczne ze względu na możliwość wystąpienia tzw. ukrytego komputera (w sieciach radiowych zamiast terminu komputer stosuje się częściej nazwę łącznościową - węzeł). Jest to taki węzeł – tu nr 3 – który znajduje się poza zasięgiem stacji nadawczej (tu 1), a blisko stacji odbiorczej (tu 2), który mógłby wprowadzać zakłócenia na linii (1-2). Sygnały CTS ze stacji (2) uciszają wtedy potencjalnego intruza (zabraniają mu dostępu).
Cykl komunikacji ma przebieg: RTS - CTS – ramka danych - ACK, rys.3.
Rys.4. Ilustracja przypadku ukrytego węzła i przebieg transmisji na linii 1-2
Najważniejsza różnica między sieciami przewodowymi i bezprzewodowymi dotyczy protokołu CSMA/CA. Protokół ten ma w sieciach bezprzewodowych literki CA, co oznacza collision avoidance – wykluczanie (unikanie) kolizji. Rzecz w tym, że w sieciach radiowych - przy dużym poziomie różnych zakłóceń - trudno jest polegać na nasłuchu fali nośnej. Wprowadza się w to miejsce specjalny sygnał, tzw. NAV (network allocation vector), który oznacza zajęcie sieci. Jest on generowany natychmiast po zakończeniu komunikatów RTS, CTS i trwa do potwierdzenia odbioru ramki, rys.5.
Na rys. 5 mamy jednocześnie zilustrowaną ideę rywalizacji o dostęp do medium między węzłami. Wszyscy potencjalni klienci zgłaszają się w tzw. oknie rywalizacji DIFS. Ten, który wygeneruje losowo najkrótszy sygnał zgłoszenia, uzyskuje prawo do komunikatu RTS i zablokowania sygnałem NAV pozostałych uczestników. W kolejnym oknie DIFS role między uczestnikami się zwykle się zmieniają i inni uzyskują dostęp.
Rys.5. Rezerwowanie medium w sieci bezprzewodowej
Ćwiczenia
1. Jakie są typowe szybkości transmisji w sieciach lokalnych, np. FDDI?
2. Jakie są minimalne i maksymalne rozmiary ramki Ethernet?
3. Jaki jest czas transmisji ramki o zawartości 1000B w sieci gigabitowej?
4. Jakie są specyficzne własności sieci bezprzewodowej, np. WiMax
ewsie