2. Локальные сети Ethernet и беспроводные локальные сети

Топология

Топология – это схема соединения каналами связи компьютеров или узлов сети между собой
Сетевая топология может быть

• физической — описывает реальное расположение и связи между узлами сети
• логической — описывает хождение сигнала в рамках физической топологии
• информационной — описывает направление потоков информации, передаваемых по сети
• управления обменом — это принцип передачи права на пользование сетью

Существует множество способов соединения сетевых устройств. Выделяют следующие топологии:

• полносвязная
• ячеистая
• общая шина
• звезда
• кольцо
• снежинка

Полносвязная

Сеть, в которой каждый компьютер непосредственно связан со всеми остальными. Однако этот вариант громоздкий и неэффективный, потому что каждый компьютер в сети должен иметь большое количество коммуникационных портов, достаточное для связи с каждым из остальных компьютеров

Ячеистая

Получается из полносвязной топологии путём удаления некоторых связей. Допускает соединения большого количества компьютеров и характерна для крупных сетей

Общая шина

Топология данного типа представляет собой общий кабель (называемый шина или магистраль), к которому подсоединены все рабочие станции. На концах кабеля находятся терминаторы, для предотвращения отражения сигнала

Звезда

В сети, построенной по топологии типа «звезда», каждая рабочая станция подсоединяется кабелем (витой парой) к концентратору, или хабу (англ. hub). Концентратор обеспечивает параллельное соединение ПК и, таким образом, все компьютеры, подключенные к сети, могут общаться друг с другом

Данные от передающей станции сети передаются через хаб по всем линиям связи всем ПК. Информация поступает на все рабочие станции, но принимается только теми станциями, которым она предназначается. Так как передача сигналов в топологии физическая звезда является широковещательной, то есть сигналы от ПК распространяются одновременно во все направления, то логическая топология данной локальной сети является логической шиной

Кольцо

Это топология, в которой каждый компьютер соединен линиями связи только с двумя другими: от одного он только получает информацию, а другому только передает. На каждой линии связи, как и в случае звезды, работает только один передатчик и один приемник. Это позволяет отказаться от применения внешних терминаторов

Также существует большое количество дополнительных способов соединения:

• Двойное кольцо
• Решётка
• Дерево
• Fat Tree
• Сеть Клоза

Дуплекс, полудуплекс, симплекс

Дуплекс

Способ связи при котором устройство может в любой момент времени и передавать, и принимать информацию. Передача и приём ведутся устройством одновременно по двум физически разделённым каналам связи

В ряде случаев возможна дуплексная связь с использованием одного канала связи. В этом случае устройство при приёме данных вычитает из сигнала свой отправленный сигнал, а получаемая разница является сигналом отправителя

Полудуплекс

Способ связи при котором устройство в один момент времени может либо передавать, либо принимать информацию

Передача ведётся по одному каналу связи в обоих направлениях, но с разделением по времени (в каждый момент времени передача ведётся только в одном направлении). Полная скорость обмена информацией по каналу связи в данном режиме имеет вдвое меньшее значение, по сравнению с дуплексом

Явление, когда несколько передающих узлов пытаются в один и тот же момент времени осуществлять передачу, называется коллизией и при методе управления доступом CSMA/CD считается нормальным, хотя и нежелательным явлением

Симплекс

Реализующее симплексный режим оборудование может передавать информацию только в одну сторону

Проблемы при передаче сигнала

Затухание - сигнал в витой паре со временем затухает и портится. Это происходит из-за сопротивления меди и различных помех. Поэтому длина провода в среднем ограничена 100 метрами

Хроматическая дисперсия - это разделение светового сигнала в оптоволокне на цветовые компоненты (как в призме). Разные длины волн отражаются и преломляются по разному, из-за этого они проходят разный путь (по длине) и приходят в разное время (одни быстрее, другие дольше). Это приводит к появлению фиктивных битов

Электромагнитные помехи - обычно локальные сети строятся на основе UTP (unshielded twisted-pair), которые не защищены от электромагнитных помех. При передаче по кабелю электрических импульсов создается могнитное поле, это поле воздействует на другой кабель, в котором от этих импульсов генерируются импульсы, а это ложные сигналы

Наводки - наводки происходят когда два кабеля расположены близко и параллельны друг к другу. Они вызывают ложные импульсы и просиходит искажение сигнала
Скрутка кабелей между собой помогает избегать наводок (поэтому витая пара - витая). Категория витой пары указывает на количество скруток на единицу длины

Адресация Ethernet

В основе адресации ethernet лежит использование MAC-адресов. В любом передаваемом фрейме первые два поля занимают адреса получателя и отправителя. Также существует широковещательный адрес, он состоит из единиц и в шестнадцатиричной системе выглядит как ff-ff-ff-ff-ff-ff

Если в поле адреса получателя у фрейма указан адрес иной чем адрес сетевой платы, то она его просто отбрасывает (то есть она обрабатывает только предназначенные ей фреймы)

Из этого правила есть два исключения, широковещательная рассылка и неизбирательный режим
Широковещательные фреймы обрабатываются также как и предназначенные этому компьютеру фреймы (потому что они и предназначены этому компьютеру), такой фрейм отправляется вверх по стеку протоколов и обрабатывается на уровнях выше (там уже и решается, нужно ли на него отвечать и пр.)
Неизбирательный режим позволяет сетевой карте принимать и обрабатывать не только те фреймы которые предназначены ей, но и все другие что она может увидеть (в разделяемой среде). Такой режим может использоваться совместно с анализатором трафика (для выявления проблем)

PDU - protocol data unit

Основы коммутации ethernet

Коммутатор ethernet обрабатывает и регистрирует mac-адреса фреймов и заполняет ассоциативную таблицу. В этой таблице отображается связь между mac-адресами и портами. Таблица называется CAM-таблицей (content-addressable memory). Далее коммутатор направляет фреймы в соответствии с этой таблицей. А пока коммутатор не знает куда именно нужно послать фрейм, он шлет его во все порты кроме того из которого он его получил (лавинная рассылка)

Основным преимуществом коммутации является то что она позволяет разделить сеть на несколько доменов коллизий. Доменом коллизий называется участок на котором организован многостанционный доступ и поэтому могут возникать коллизии

Беспроводные локальные сети

В беспроводных сетях нельзя использовать CSMA/CD, так как обнаружить коллизию невозможно. При передаче сигнала приемник находится близко к собственному передатчику, который передавая сигналы заглушает любые другие сигналы. Поэтому используется CSMA/CA (CD - обнаружение коллизий, CA - предотвращение коллизий)

Перед отправкой данных устройство отправляет особый фрейм с предупреждением о намерении передачи данных. Далее оно ожидает ack-фрейма от точки доступа, если ack-фрейма не поступило, то вероятно произошла коллизия и тогда такой фрейм отправляется снова

Также есть способ RTS/CTS (rts - request to send, cts - clear to send). Перед передачей устройство шлет точке доступа фрейм rts и ожидает от него в ответ cts. Такой способ позволяет предупредить другие устройства (которых не видит передающее устройство, но видит точка доступа) вблизи точки доступа о том что она собирается принимать данные от передающего устройства

Эти два способа могут использоваться параллельно, чтобы дополнительно снизить возможность возникновения коллизий

Канальный уровень спецификации 802.11b допускает фрагментацию фрейма. Когда при передаче большого фрейма где-то на середине возникает коллизия, то передающее устройство может фрагментировать фрейм чтобы попытаться избежать коллизий