Elementy sprzętowe sieci i kodowanie

• Problem : fizyczne łączenie komputerów
  • najprostsza sieć to połączenie komputerów przez fizyczne medium (przewód, światłowód) pokrywające mały obszar (budynek) lub duży (kontynent)
  • połączenie komputerów (węzłów) za pomocą medium to jedynie pierwszy krok
  • istnieje 5 dalszych problemów, które muszą być rozwiązane zanim węzły będą w stanie wymienić pakiety; są to takie zagadnienia jak:
    • kodowanie (encoding) bitów, tak aby mogły być zrozumiane przez komputer odbiorczy
    • rozpoznawanie ramek (framing) - sekwencja przesyłanych bitów tworzą komunikaty nazywane często ramkami (frames), które muszą być dostarczone do węzłów odbiorczych
    • wykrywanie błędów (error detection) - podczas transmisji ramki są czasami uszkadzane; trzeba wykryć błędy i podjąć określone działania
    • niezawodna dostawa - należy tak zorganizować sieć, aby łącza wyglądały na niezawodne, niezależnie od faktu, że ramki czasami ulegają uszkodzeniom
    • mediacja dostępu - jeżeli łącza są współdzielone przez  wiele komputerów, inaczej niż łącza dwupunktowe, konieczna jest mediacja dostępu do łącza, co jest nazywane sterowaniem dostępu do medium (media access control)
  • zagadnienia te znalazły swoje rozwiązanie w postaci trzech konkretnych technik sieciowych, określonych jako
    • sieci wielodostępu do łącza z badaniem stanu kanału, tzw. CSMA ( Carrier Sense Multiple Access) - najsłynniejszy przykład to Ethernet
    • sieci pierścieniowe ze znacznikiem (Token Ring) - najsłynniejszy przykład to FDDI
    • łącza dwupunktowe
  • pięć wspomnianych wcześniej funkcji realizuje się w adapterze sieci, czyli w karcie przyłączonej z jednej strony do szyny wejścia / wyjścia w komputerze, a z drugiej strony do łącza fizycznego
    • między adapterami wymieniane są bity, a między komputerami wymieniane są poprawne ramki
    • adapter jest sterowany przez oprogramowanie uruchomione w węźle
    • to oprogramowanie realizuje protokół umieszczony na dole grafu protokołów

     

• Elementy sprzętowe sieci
  • jak stwierdziliśmy wcześniej, dowolne sieci, te najprostsze (łącze dwupunktowe - łączy parę węzłów) jak też najbardziej złożone (światowa intersieć) są konstruowane z użyciem dwóch elementów : węzłów i łączy

   

• Węzły
  • Węzły to komputery ogólnego przeznaczenia: stacje robocze, system wielo procesorowy, komputer osobisty (PC); będziemy zakładali dalej, że węzeł to komputer typu stacja robocza
  • na stacji roboczej można
    • uruchamiać programy aplikacyjne na zewnątrz sieci
    • konfigurować ją wewnątrz sieci, jako komutator przekazujący komunikaty z jednego łącza do drugiego

     

    

    Przykład architektury stacji roboczej.

     

    • konfigurować ją jako ruter przekazujący pakiety intersieci od jednej sieci do drugiej

     

  • Jak wygląda stacja robocza ?

    PAMIĘĆ

    • jej pamięć nie jest nieskończona; może posiadać 4 MB lub 128MB (to już dużo); pamięć jest jednym z dwóch brakujących zasobów sieci (drugim jest szerokość pasma łącza)
    • jest ona zasobem deficytowym, bo węźle pracującym jako komutator lub ruter, pakiety muszą być buforowane w pamięci podczas oczekiwania na swoją kolej do transmisji
    • pamięcią należy ostrożnie zarządzać, aby zapewnić sprawiedliwą dla każdego użytkownika przepustowość sieci

    ADAPTER SIECI

    • każdy węzeł jest dołączany do sieci przez adapter sieci (network adapter) umieszczony na szynie wejścia / wyjścia (I/O bus)
    • adapter sieci wymienia dane między pamięcią stacji i łączem w sieci
    • adapterem steruje program obsługi urządzenia (device driver), uruchamiany na stacji roboczej

    JEDNOSTKA CENTRALNA (CPU - Central Procesing Unit)

    • jednostka centralna jest znacznie szybsza niż pamięć
    • szybkość procesora podwaja się co 1.5 roku, szybkość pamięci rośnie tylko 7% rocznie
    • tak więc, stacja robocza pracuje z szybkością określoną przez pamięć - ten fakt należy uwzględnić, gdy rozpatruje się wykonywanie w procesorze oprogramowania sieciowgo

     

• Łącza
  • łącza sieci, bez względu na to jakie medium fizyczne reprezentują (skrętka, kabel koncentryczny, światłowód, przestrzeń w której propaguje się fale) służą do propagacji sygnałów
  • mówimy o łączach
    • cyfrowych (digital); sygnały przyjmują w nich wartości dyskretne (np. dodatnie i ujemne impulsy napięcia)
    • analogowych (analog); przenoszą one ciągłe sygnały elektromagnetyczne o zakresie, np. od 300 Hz do 3300 Hz (zakres telefonii głosowej)
  • łącza cyfrowe i analogowe zapewniają możliwość transmisji wszystkich rodzajów informacji, w tym danych binarnych, o których mówimy wtedy, że są zakodowane (encoded)
  • z kodowaniem są związane takie urządzenia jak:
    • modem (skrót od modulator / demodulator), który koduje dane binarne na sygnał analogowy po stronie nadawczej, a sygnał analogowy z powrotem na dane binarne po stronie odbiorczej
    • nadajnik cyfrowy (digital transmitter), który transmituje dane binarne (cyfrowe) na łączu cyfrowym
  • łącze dwupunktowe nazywamy
    • półdupleksowym (half - duplex), gdy tylko jeden strumień bitów jest transmitowany w danym czasie
    • pełnodupleksowym ( full - duplex), gdy dwa strumienie bitów mogą być jednocześnie transmitowane przez łącza w tym samym czasie, z tym ze każdy z nich w innym kierunku; zakładamy dalej, że wszystkie łącza dwupunktowe są pełnodupleksowe

     

    

    Powszechne typy kabli i światłowodów dostępnych dla łączy lokalnych

     

     

  • inna cechą łącza jest jego zasięg

  • zasięg łącza zależy od

    • techniki jaka mamy zamiar wykorzystać do transmisji danych w łączu, oraz

    • związanego z nią typu kabla

  • jeżeli dwa węzły, które chcemy połączyć znajdują się dostatecznie daleko, w grę wchodzi raczej dzierżawienie łącza od firmy telekomunikacyjnej

     

    

    Powszechne szerokości pasma dostępne w firmach telekomunikacyjnych.

     

    • ISDN (Intergrated Service Digital Network - sieć cyfrowa z integracją usług) - oferowana szerokość pasma jest powszechnie stosowana do transmisji głosu przetworzonego na postać cyfrową, czyli głosu zdyskretyzowanego (digitized voice); sieć obsługuje głos oraz dane

    • T1 jest równoważna 24 cyfrowym obwodom głosowym, a T3 jest równoważna 30 łączom T1

    • STS - N (Synchronous Transport Signal - sygnał transportu synchronicznego) to łącze śiatłowodowe

  • wszystkie powyższe łącza, to łącza cyfrowe

  • wszystkie, z wyjątkiem ISDN, są wydzierżawione jako łącza dedykowane, a więc zawsze dostępne

  • alternatywą tych łączy jest stosowanie modemu do transmisji danych binarnych na konwencjonalnym, analogowym, wybieranym, głosowym łączu telefonicznym

    • techniki modemowe ostatnio znacznie się polepszyły, jednak uważa się, że maja one ograniczony potencjał i nie oczekuje się ich znaczącego rozwoju

  • dzierżawione łącza, to łącza sieci mający swój historyczny wymiar, sieci gdzie stosuje się techniki komutacji kanałów, przedewszystkim, mające charakter analogowy

  • nowe trendy w budowie sieci to sieci z komutacją pakietów; stosuje sie tu kilka technik komutacji, np. opartej na trybie przesyłania asynchronicznego (ATM - Asynchronus Transfer Mode)

Przepływ sygnałów miedzy składnikami sygnalizacji, przepływów bitów między adapterami 

• Kodowanie (NRZ, NRZI, manchesterskie, 4B / 5B)

  • węzły transmituja do siebie bity używając do tego łącza fizycznego 

  • łącze fizyczne jako takie propaguje sygnały elektryczne 

  • należy więc kodować w jakiś  sposób dane binarne w sygnały elektryczne, które mogą być dalej propagowane, a następnie dekodować je z powrotem na dane binarne, w węźle odbiorczym

  • adapter sieci zawiera składnik sygnalizacji, który koduje (dekoduje) bity na sygnały

  • tak więc sygnały przechodzą między składnikami sygnalizacji, a bity przepływają między adapterami sieci

   

  

   

  

   

  • w łączu cyfrowym operujemy dwoma sygnałami dyskretnymi (wysokim i niskim)

  • należy odwzorować wartość danych 1 na sygnał wysoki, a wartość danych 0 na sygnał niski

  #1

  • takie odwzorowanie zastosowano w schemacie kodowania zwanym bez powrotu do zera (NRZ - non - return  to zero) patrz rysunek

  • taki sposób kodowania rodzi problemy

    • długi ciąg zer odznaczający się przedłużonym niskim sygnałem, może oznaczać faktycznie nieobecność sygnału; w rezultacie, odbiornik nie jest w stanie rozróżnić miedzy długim ciągiem zer i łączem bez napięcia

    • podtrzymywany wysoki sygnał (długi ciąg jedynek) może być też kłopotliwy, ponieważ odbiornik stosuje średni poziom sygnału, zwany poziomem odniesienia (baseline) w celu rozróżnienia między wysokim a niskim sygnałem; zbyt wiele kolejnych jedynek powoduje zmieniane się wspomnianej średniej wartości, co jest nazywane wędrówką poziomu odniesienia (baseline wander)

    • częste przejścia od wysokiego do niskiego sygnału i odwrotnie są konieczne do zapewnienia odzyskiwania zegara (clock recovery)

      • procesy kodowania i dekodowania są sterowane zegarem - w pojedynczym cyklu zegara nadajnik transmituje bit, a odbiornik odzyskuje bit

      • zegary odbiornika i nadajnika muszą być precyzyjnie zsynchronizowane; w przeciwnym wypadku dekodowanie sygnału nie będzie poprawne

       

      

      Różne strategie kodowania

       

      • impuls zegara można by przesłać do odbiornika na oddzielnym przewodzie (rośnie koszt okablowania)

      • dlatego odbiornik odzyskuje impuls zegara z odbieranego sygnału - w procesie odzyskiwania zegara

  • odzyskiwanie zegara : gdy sygnał zmienia się (od 1  do 0, od 0 do 1 ) wtedy odbiornik wie, że jest to granica cyklu zegarowego i może się ponownie zsynchronizować

    • długi okres bez takiego przejścia prowadzi do dryfowania zegara (clock drift)

  #2

  • jedno z możliwych rozwiązań problemu - kodowanie nazywane odwróconym bez powrotu zegara (non - return to zero inver - ted  - NRZI)

    • nadajnik dokonuje przejścia z istniejącego poziomu sygnału w celu zakodowania jedynki, a pozostaje na istniejącym poziomie sygnału w celu zakodowania zera

    • rozwiązuje to problem jedynek, ale nie rozwiązuje problemu kolejnych zer

  #3

  • alternatywne rozwiązanie to kodowanie manchesterskie [t][t] (Manchester [t][t] encoding)

    • scala się tu zegar z sygnałem za pomocą operacji różnicy symetrycznej (exlusive - OR) na danych kodowanych w schemacie NRZ i na zegarze

    • wyobraźmy sobie tutaj zegar lokalny, jako sygnał zmieniający się z poziomu niskiego na wysoki, a parę niski/wysoki uznajemy za jeden cykl zegara

    • widać (patrz rysunek), ze to kodowanie powoduje, że 0 jest kodowane jako przejście z poziomu niskiego na wysoki, a 1 jako przejście z poziomu wysokiego na niski - zegar może być efektywnie odzyskiwany

     

    

   

  • problemy związane z kodowaniem manchesterskim

    • podwaja on szybkość, z jaką przejścia sygnału są dokonywane w łączu

    • w wyniku tego odbiornik dysponuje jedynie połową czasu na wykrycie każdego impulsu sygnału; szybkość z jaką sygnał się zmienia jest nazywana szybkością modulacji łącza

    • w przypadku tego kodowania, szybkość transmisji danych jest równa połowie szybkości modulacji  -> tak więc kodowanie jest sprawne tylko w 50%

  #4

  • kodowanie 4B/5B

    • próbuje wyeliminować problemy związane z poprzednimi rodzajami kodowania

    • idea kodowania: wprowadzenie dodatkowych bitów do strumienia bitów w celu przerwania długich sekwencji zer albo jedynek

    • każde 4 bity rzeczywistych danych są zakodowane przez 5-bitowy kod nadawany do odbiornika, stąd 4B/5B

    • kody 5-bitowe są wybrane w taki sposób, ze każdy z nich ma nie więcej niż jedno zero na początku i nie więcej niż dwa zera na końcu (patrz, tablica)

    • dlatego, gdy kody te są przesyłane jeden po drugim, żadna z par 5-bitowych kodów nie zawiera więcej niż trzy kolejne zera

     

    

    Kodowanie

     

    • powstałe 5-bitiwe kody są następnie nadawane z wykorzystaniem schematu kodowania NRZI, co rozwiązuje problem kolejnych jedynek

    • sprawność kodu

     

• z tabeli kodowanie 4B/5B wynika, że tylko 16 kodów  spośród 32 jest wykorzystywanych - można je więc wykorzystać do innych celów

  •  11111  stosuje się do sygnalizacji, że łącze jest bezozynne (idle)

  • 00000 - łącze jest  martwe (dead)

  • 00100 - kod zatrzymania (halt)

  • siedem kodów to kody nie ważne - naruszają one reguły zer

  • pozostałe sześć kodów reprezentuje różne symbole sterujące