Warstwa fizyczna sieci LAN

Transkrypt

1 UNIWERSYTET KAZIMIERZA WIELKIEGO Wydział Matematyki Fizyki i Techniki Zakład Teleinformatyki 1. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie z różnymi rodzajami mediów transmisyjnych stosowanych sieciach lokalnych. W trakcie zajęć należy przygotować własnoręcznie kabel krosowy oraz zidentyfikować rodzaje kabli niezbędnych do realizacji poszczególnych sieci lokalnych. 2. Podstawy teoretyczny 2.1. Media transmisyjne Do budowy lokalnych sieci komputerowych stosuje się cztery podstawowe media transmisyjne: światłowody (optical fiber), kable koncentryczne (coaxial cable), skręcane kable wieloparowe potocznie nazywane skrętkami (twisted pair) oraz powietrze. Wybór medium transmisyjnego ma wpływ na: średnicę sieci (rozmiar), pasmo dostępne dla użytkowników, odporność na zakłócenia elektro-magnetyczne (EM)i koszt budowy sieci. Laboratorium Sieci Komputerowych ćwiczenie: 1 Warstwa fizyczna sieci LAN prowadzący: mgr inż. Piotr Żmudziński zmudzinski@ukw.edu.pl Bydgoszcz 2011r Kabel koncentryczny Miedziane kable koncentryczne używane były do budowy sieci lokalnych o architekturze szyny od momentu ich powstania. Powszechnie stosowane były dwa rodzaje kabli koncentrycznych: kable cienkie (thin) oraz kable grube (trick) używane do budowy sieci w standardzie 10Base2 i 10Base5. Standard 10Base2 umożliwiał transmisję danych z przepływnością 10Mbit/s w paśmie podstawowym przez cienki kabel koncentryczny o średnicy 0.25 cala. Standard umożliwiał dołączenie do 30 komputerów oddalonych od siebie przynajmniej o 0.5m, w segmencie o nieprzekraczalnej długości 185m. Dawało to czas propagacji sygnału 950.6ns. Stacje dołączone są do głównego kabla magistrali za pomocą trójników (T-connector), wymagane złącza do kart sieciowych to BNC. Na końcach kabli wymagane są oporniki 50Ω zapobiegające odbiciom sygnału na końcach szyny i zakłócaniu transmisji. Standard 10Base5 umożliwia transmisję danych z tą samą prędkością 10Mbit/s w paśmie podstawowym przez gruby kabel koncentryczny, zwany także żółtym ze względu na typowy kolor zewnętrznej powłoki kabla. Rozwiązanie pozwala na umieszczenie do 100 komputerów w pojedynczym segmencie nie dłuższym niż 500m. Stacje sieciowe powinny być dołączane dokładnie co 2.5m lub całkowitą wielokrotność za pomocą urządzenia tap. Między tapem a stacją sieciową należy wykorzystać kabel dystansowy, nie dłuższy niż 50m. Wymagane złącze karty sieciowej to AUI. Obecnie absolutnie nie stosuje się kabli koncentrycznych ze względu na: - małą przepływność sieci, - uszkodzenie szyny unieruchamia cały segment, - kłopotliwą instalację, - niedostępność kart sieciowych Skrętka miedziana Czteroparowa skrętka miedziana jest powszechnie wykorzystywanym medium transmisyjnym lokalnych sieci komputerowych. Pozwala przesyłać dane z prędkością do 10Gbit/s na ograniczonej odległości. P.Żmudziński ver3.1 1

2 W sieciach LAN spotykane są następujące rodzaje skrętek: - UTP (Unshielded Twisted Pair) skrętka nieekranowana (Rys.1), - FTP (Foiled Twisted Pair) czasem także skrętka foliowana, zawiera metalową folię ekranującą z zewnątrz skręcane pary przewodów, - STP (Shielded Twisted Pair) - skrętka ekranowana, zapewnia ekranowanie dla każdej z par oraz ekran z metalowej folii otaczający z zewnątrz wszystkie ekranowane pary (Rys.1 b). W rozwiązaniach telekomunikacyjny S-FTP spotykana jest także skrętka SFTP (Rys.2). Rys. 2 Budowa skrętki STP Rys. 1 Budowa skrętki UTP Rys.1b Budowa skrętki F(S)TP Światłowód W przyszłości przewiduje się, że światłowód będzie znacznie częściej wykorzystywany w sieciach LAN ze względu na: - możliwość rozmieszczenia urządzeń sieciowych oraz komputerów w znacznej odległości mierzonej w kilometrach, - pasmo transmisyjne praktycznie ograniczane jedynie przez możliwości urządzeń na końcach światłowodu, - brak możliwości podsłuchania transmisji, - sygnał przesyłany optycznie nie jest zakłócany przez pole EM, dlatego jest chętnie stosowany w środowiskach produkcyjnych. Światłowód zbudowany jak na Rys.3., z dwóch głównych elementów szklanych o nieco innym współczynniku załamania światła: płaszcza i rdzenia. Światło wprowadzane do światłowodu porusza się wzdłuż osi doznając ciągłego zjawiska całkowitego wewnętrznego odbicia na krawędzi rdzeń-płaszcz. W idealnym przypadku promieniowanie świetlne nie wycieka na zewnątrz, co umożliwia budowę dłuższych segmentów sieci. Do budowy komputerowych łączy światłowodowych wykorzystuje się: * Lasery światłowody jednodomowe fotodiody lawinowe APD (długie odległości), * Diody LED światłowody wielomodowe Fotodiody PD (krótkie odległości) Na obu końcach światłowodu instalowane są urządzenia aktywne, po stronie nadawczej przetwornik elektryczno-optyczny oraz po stronie odbiorczej optyczno-elektryczny. Światłowód wykorzystywany jest do budowy łączy punkt-punkt, z których następnie budowana jest sieć. Tab. 1 Rodzaje włókien światłowodowych w sieciach Włókno Średnica Średnica Złącze Kolor zewn. rdzenia płaszcza wielomodowe 100 µm 140 µm SC / ST pomarańczowy wielomodowe 62,5 µm 125 µm SC / ST pomarańczowy wielomodowe 50 µm 125 µm SC / ST pomarańczowy jednomodowe 9 µm 125 µm LC / APC żółty P.Żmudziński ver3.1 2

3 10Base-T, 100Base-TX, 1000Base-T, 10GBase-TX. Dedykowanym złączem jest RJ-45. Zalety skrętki UTP: jest najtańszym medium transmisyjnym, pozwala na wysoką prędkość transmisji (do 10 Gb/s), łatwe diagnozowanie uszkodzeń, łatwa instalacja, odporność na poważne awarie (przerwanie kabla unieruchamia najczęściej tylko jeden komputer), jest akceptowana przez wiele rodzajów sieci. Wady skrętki UTP: mała odporność na zakłócenia EM, niska odporność na uszkodzenia mechaniczne konieczne jest instalowanie specjalnych listew naściennych itp. Rys. 3 a) Popularne złącza światłowodowe b) Budowa światłowodu Nie ma możliwości własnoręcznego osadzenia złącza na włóknie należy zakupić prefabrykowany kabel o odpowiedniej długości Powietrze Sieci komputerowe mogą wykorzystywać łączność bezprzewodową. W lokalnych sieciach komputerowych wykorzystuje się standardy IEEE a/b/g operujące w paśmie wolnym od opłat koncesyjnych ISM (Industry, Science & Medicine). Standard b/g pracuje w paśmie 2,4-2,48GHz przy maksymalnej mocy wypromieniowanej 0.1W, standard a w paśmie 5GHz przy maksymalnej mocy 1W. Pozostałe pasma widma częstotliwości są koncesjonowane, a korzystanie z pasma jest płatne. Nie zastosowanie się do tych zasad sankcjonowane jest wysoką grzywną pieniężną. W sieciach LAN stosuje się obecnie jedynie UTP cat5e lub cat Sieciowy kabel UTP tzw. skrętka Kabel skręcany (tzw. skrętka) wykonany jest z czterech par, każda składa się z dwóch skręconych ze sobą przewodów. Skrętka nieekranowana stanowi linię zrównoważoną (symetryczną) w związku z tym stosowane są różnicowe systemy transmisji. Omawiane medium ma impedancje 100 Ω w paśmie 1-100MHz. Nadto wszystkie cztery skręcone pary są skręcone razem na odległości 6-10 cm. co dodatkowo zmniejsza wpływ zakłóceń elektromagnetycznych generowanych przez źródła zakłócające. Skrętka UTP jest najczęściej stosowanym medium transmisyjnym we współczesnych sieciach komputerowych. Wykorzystywana jest do budowy sieci Skrętka UTP posiada parametry elektryczne, z których najważniejsze to: impedancja charakterystyczna Zo, straty odbiciowe (Return Loss) RL [db], tłumienie (Attenuation) [db], opóźnienie (Delay) [ns], przenik zbliżny (Near End Crosstalk -NEXT) [db], przenik zbliżny skumulowany PSNEXT, przenik zdalny (Far End Crosstalk FEXT) [db], rozrzut opóźnienia (Delay Skew) [ns]. Na podstawie pomiarów wspomnianych parametrów dokonany został podział mediów na grupy, zdefiniowane zostały normy: amerykańska EIA/TIA definiuje kategorie, europejska EN 50173, międzynarodowa ISO definiuje klasy. Tab. 2 Kategorie kabli wg TIA/EIA [2] Cat1 Telefony Nieprzydatne do przesyłania danych Cat2 Token Ring Sieci Token Ring o szybkości 4 Mb/s. Cat3 Telefony i 10BASE-T Standard 10BASE-T opracowano w latach 80 z myślą o wykorzystaniu wielu zainstalowanych kabli kategorii 3. Cat4 Token Ring Sieci Token Ring o szybkości 16 Mb/s Cat5 Ethernet Ten sam kabel co w przypadku kategorii 5, ale bardziej rygorystyczne wymagania odnośnie do wtyków i testów kabli. Spełnia wymagania standardu Gigabit Ethernet. Cat5e Ethernet Ten sam kabel co w przypadku kategorii 5, ale bardziej rygorystyczne wymagania odnośnie do wtyków i testów kabli. Spełnia wymagania standardu Gigabit Ethernet. Cat6 Ethernet Oficjalnie spełnia wymagania standardu Ethernet l GB/s, przy czym są prowadzone prace mające na celu umożliwienie stosowania kabli kategorii 6 w rozwiązaniach zgodnych ze standardem Ethernet 10 Gb/s P.Żmudziński ver3.1 3

4 W popularnych obecnie sieciach ma zastosowanie skrętka kategorii 5 dla Fast Ethernetu oraz 5e dla Giga Ethernetu. Przy inwestowaniu w nowe okablowanie strukturalne należy stosować skrętkę kategorii 5e lub należy rozważyć stosowanie kategorii 6 ze względu na późniejszą możliwość wdrożenia sieci Gigabitowej lub nowszej na istniejącym już okablowaniu. Technologia Ethernet jest najbardziej rozpowszechniona w sieci LAN, zatem w poniższej tabeli ujęto jedynie media w niej stosowane. Tab. 3 Typy sieci, długości segmentów i nośniki [2] Typ sieci Nośnik Max długość segmentu złącze Ethernet 10BASE2 10BASE5 10BASE-T 100BASE-TX 100BASE-FX 1000BASE-CX 1000BASE-T 1000BASE-SX 1000BASE-LX Kabel koncentryczny 50 Ω (cienki Ethernet) Kabel koncentryczny 50 Ω (gruby Ethernet) Kabel UTP kategorii 3,4 lub 5 (TIA/EIA), dwie pary przewodów Kabel UTP kategorii 5 (TIA/EIA), dwie pary przewodów Kabel światłowodowy 62,5/125 µm Kabel STP (skrętka ekranowana) Kabel UTP kategorii 5 (TIA/EIA), cztery pary przewodów Wielodomowy kabel światłowodowy 62,5/50 wielomodowy kabel światłowodowy 62,5/50µm; jednomodowy kabel światłowodowy 9µm 185m 500m 100m 100m 2000m 25m 100m 275 m dla światłowodu 62,5 µm; 550m dla światłowodu 50µm 440m dla światłowodu 62,5µm; 550m dla światłowodu 50µ; od 3 do 10 km dla światłowodu jednomodowego British Naval Connector (BNC) lub Bayonet Neiill Concelman (BNC) Attachment Unit Interface (AUI) ISO 8877 (RJ-45) ISO 8877 (RJ-45) Media Interface Connector (MIC), ST lub SC ISO 8877 (RJ-45) SO 8877 (RJ-45) SC SC przez interfejsy ethernetowe oraz łączenie niektórych przełączników bez funkcji automatycznego lub ręcznego wyboru rodzaju kabla. 568 A 568 B Rys. 4 Budowa kabli prostych i krosowych Dzięki specjalnej budowie skrętki polegającej na skręceniu każdej z par osobno oraz wszystkich przewodników razem skrętka wykazuje zadawalającą odporność na zewnętrzne czynniki zakłócające pod warunkiem stosowania jednej z dwóch możliwych konwencji kolorów instalowania przewodów we wtyczce. W przypadku odstąpienia od standardu należy liczyć się z wyraźnym pogorszeniem jakości transmisji, co uniemożliwi przesyłanie sygnałów na określone przez standard odległości. Stosowane są dwie konwencje barwne rozmieszczenia przewodów we wtyczce odpowiadające normom EIA/TIA 568A oraz EIA/TIA 568B. Wybór konwencji jest obojętny, przy rozbudowie jednak należy starać się stosować wcześniej użytą konwencję rozmieszczenia kolorów. Tab. 4 Mapowanie kolorów w RJ-45 wg TIA 568B 2.3. Przygotowywanie kabli sieciowych tzw. pachcordów W sieciach 10Base-T i 100Base-TX stosuje się dwa typy kabli przyłączeniowych: proste i krosowe, Rys.4 i Tab.4. Proste (straight)- wszystkie styki połączone są z analogicznymi stykami przeciwległej wtyczki, kable najczęściej stosowane w lokalnych sieciach komputerowych, służą dołączaniu stacji roboczych do urządzeń centralnych takich jak przełączniki czy koncentratory. Krosowe (crossover) wewnętrzne przewody zostały połączone zgodnie z zasadą (1-3, 2-6), kabel taki oznacza się często literą X. Stosowane do łączenia 2 stacji sieciowych z pominięciem urządzeń sieciowych, łączenia ruterów P.Żmudziński ver3.1 4

5 Po montażu wtyczki RJ-45 należy bezwzględnie przetestować kable za pomocą dedykowanego testera. Tester sygnalizuje poprawność wykonania patcha diodą sygnalizacyjną connected oraz zapaleniem wszystkich sygnalizatorów LED odpowiadających kolejnym przewodom w skrętce. Dodatkowo tester wykrywa, czy kabel jest typu prostego czy krosowego numer przeznaczenie kolor 1 Odbiór + biało-pomarańczowy 2 Odbiór - pomarańczowy 3 Transmisja + biało-zielony 4 nie używany niebieski 5 nie używany biało-niebieski Najczęściej spotykaną topologią w sieciach lokalnych jest topologia gwiazdy ze względu na łatwą instalację, wykrywanie awarii oraz odporność na uszkodzenia. W uzasadnionych przypadkach stosowane są topologie mieszane. Topologia logiczna definiuje standardy komunikacji, dzięki którym poszczególne komputery będą się ze sobą porozumiewały. Topologia logiczna jest ściśle powiązana z topologią fizyczną np.: sieć Ethernet może wykorzystywać fizyczną topologię szyny lub gwiazdy, nie może natomiast wykorzystać pierścienia. Sieć 10Base-T wykorzystuje topologie fizyczną gwiazdy natomiast logicznie jest to szyna, ponieważ ramka od każdego komputera trafia do pozostałych komputerów sieci, identycznie jak w fizycznej szynie. 6 Transmisja zielony 7 nie używany biało-brązowy 8 nie używany brązowy 2.4. Karty sieciowe W każdym komputerze, który ma pracować w sieci Ethernet, musi znajdować się urządzenie będące interfejsem pomiędzy medium transmisji sieci a komputerem. Interfejs sieciowy występuje w komputerze jako, układ wbudowany na płycie głównej, kara PCI lub USB. Karta ta zawiera układy elektroniczne realizujące funkcje: wymiany informacji pomiędzy buforami karty a pamięcią główną komputera (najczęściej z użyciem układu DMA), konstrukcji i analizy ramki Ethernet, warstwy dostępu do medium (Medium Access Control MAC), tzn. procedury organizujące dostęp komputera do medium transmisji i pozwalające na wysyłanie i odbieranie pakietów. Karty sieciowe mogą posiadać następujące złącza: RJ45 umożliwia dołączenie kabla UTP / STP BNC umożliwia dołączenie T-connectora oraz kabla koncentrycznego 0.25 cala cienkiego Ethernetu AUI umożliwia dołączenie transceivera, elementu grubego Ethernetu SC umożliwia dołączenie światłowodu Topologie sieci Topologia sieci jest zbiorem zasad fizycznych łączenia elementów sieci oraz reguł komunikacji między stacjami poprzez medium transmisyjne. W zależności od wybranej topologii sieci, istnieją konkretne specyfikacje dotyczące topologii fizycznej, kabli, złączy. Topologia fizyczna określa sposób fizycznego (elektrycznego) łączenia ze sobą komputerów. Rys.5 Fizyczne topologie sieci 3. Zagadnienia do przestudiowania 1. Co oznacza termin apertura numeryczna? 2. Jak można opisać zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia? 3. Czego miarą jest decybel i jak oblicza się wartość tłumienia mocy? 4. Bibliografia [1] K. Krysiak, Sieci komputerowe Kompendium, wydanie I / II, Helion, Gliwice 2003 / 2006 [2] P. Pawlak, Okablowanie strukturalne Sieci, Helion, Gliwice 2006 [3] Vademecum teleinformatyka I / II / III, Warszawa, IDG P.Żmudziński ver3.1 5

6 5. Przebieg ćwiczenia Ćwiczenie 1 realizowane jest na stanowisku B, wykorzystane zostaną komputery oznaczone jako PC4/5/6 oraz wskazany na rysunkach sprzęt sieciowy znajdujący się w stojaku oznaczonym STOJAK B. Do wykonania ćwiczenia będzie wykorzystany system Windows XP sieci. Na każdym z komputerów należy skonfigurować protokół IP powiązany z kartą ethernetową RLT, połączenie LAB: adres IP: x, gdzie x jest numerem komputera, dla PC4 x=4, maska podsieci: , brama domyślna: --. W systemie Windows XP: Start > Ustawienia > Połączenia sieciowe > LAB >Właściwości > TCP/IP> Właściwości i wpisać odpowiednie wartości. W laboratorium znajdują się prefabrykowane kable UTP różnych kolorów. Kable w kolorach: żółtym, czerwonym, niebieskim, zielonym i czarnym są kablami prostymi. Szare, prefabrykowane kable są kablemi z przeplotem tzw. crossover Zapoznanie z mediami transmisyjnymi U dołu stojaka znajduje się pudełko z opisanymi kablami sieciowymi różnego rodzaju oraz rozmaitymi zakończeniami kabli. Zapoznać się z budową poszczególnych rodzajów mediów transmisyjnych i wtyczek sieciowych. Dopasować numery do elementów wymienionych w tabelce sprawozdania ( ) Wykonanie kabla sieciowego tzw. patchcordu 1. Wykorzystując wskazany przez prowadzącego kabel UTP, przygotować kabel krosowy o długości około 1m zgodnie ze standardem EIA/TIA 568B. Przed zaciśnięciem wtyczki skonsultować z prowadzącym poprawność przygotowanego złącza! Zanotować rozkład kolorów w kablu ( ). 2. Po zaciśnięciu kabla (potocznie po zarobieniu) zbadać poprawność czynności za pomocą testera kabli dostępnego na stanowisku laboratoryjnym. Zanotować poprawne piny w sprawozdaniu ( ). 3. Aby sprawdzić bieżący adres IP dowolnego komputera, należy w linii komend (Start >uruchom > cmd) wpisać ipconfig. 4. Sprawdzić osiągalność zdalnego hosta za pomocą polecenia ping. Rys.6 Sieci dydaktyczna A i B 5. Połączyć sieć zgodnie z Rys.7 C. Zbadać, które z kabli (proste czy krosowe) są prawidłowe do budowy wskazanej sieci (proste czy krosowe). Zanotować w sprawozdaniu ( ). 6. Sprawdzić osiągalność zdalnego hosta za pomocą polecenia ping Rys.7 Sieci dydaktyczna C i D 5.3. Identyfikacja rodzajów kabli UTP w topologii gwiazdy Połączyć sieci zgodnie z poniższymi schematami. Wszystkie dalsze czynności należy wykonać łącząc odpowiednie porty na patch panelach. Porty stojaka oznaczone żółtymi etykietami E1 do E20 oznaczają porty eternitowe komputerów PC1 PC20. Żółty port R10/0 oznacza port e0/0 rutera R Połączyć sieć zgodnie z Rys.6A, później B 2. Sprawdzić, czy warstwa łącza danych jest sprawna, co sygnalizuje dioda portu urządzenia sieciowego, do którego przyłączony jest PC ( ). Rys.8 Sieć dydaktyczna E i F P.Żmudziński ver Połączyć sieć zgodnie z Rys.7 D

7 8. Sprawdzić, czy warstwa łącza danych jest sprawna, co sygnalizuje dioda portu urządzenia sieciowego do którego przyłączony jest PC. 9. Sprawdzić osiągalność zdalnego hosta za pomocą polecenia ping. 10. Połączyć sieć zgodnie z Rys.8 E 11. Sprawdzić, czy warstwa łącza danych jest sprawna, co sygnalizuje dioda portu urządzenia sieciowego do którego przyłączony jest PC. 12. Sprawdzić osiągalność zdalnego hosta za pomocą polecenia ping. Należy zauważyć, że wiele popularnych przełączników mają zaimplementowaną funkcję Auto MDII/MDX co oznacza, że w przypadku połączenia niewłaściwego kabla, urządzenia automatycznie dostosowują mapowanie part TX i Rx w porcie. Nadto, niektóre koncentratory np. H1/2 na przednim panelu posiadają przycisk do manualnego krosowania ostatniego portu. Pozwala to na stosowanie kabli prostych do łączenia koncentratorów. Rys.9 Sieć dydaktyczna G 13. Połączyć sieć zgodnie z Rys.8 F 14. Sprawdzić, czy warstwa łącza danych jest sprawna, co sygnalizuje dioda portu urządzenia sieciowego do którego przyłączony jest PC. Port rutera R14 jest rozszyty na patch panelu pod numerem 22 i oznaczony jest żółtym opisem R Sprawdzić osiągalność zdalnego hosta za pomocą polecenia ping. 16. Uzupełnić sprawozdanie ( ). Rys.10 Sieć dydaktyczna H 17. Połączyć sieć zgodnie z Rys.9 G 18. Sprawdzić, czy warstwa łącza danych jest sprawn, co sygnalizuje dioda oznaczająca port urządzenia sieciowego do którego przyłączony jest PC. 19. Sprawdzić osiągalność zdalnego hosta za pomocą polecenia ping. 20. Uzupełnić sprawozdanie 21. Połączyć sieć zgodnie z Rys.10 H 22. Sprawdzić, czy warstwa łącza danych jest sprawna, co sygnalizuje dioda oznaczająca port urządzenia sieciowego do którego przyłączony jest PC. 23. Sprawdzić osiągalność rutera za pomocą polecenia ping Uzupełnić sprawozdanie o czasy RTT ( ). 6. Sprawozdanie P.Żmudziński ver3.1 7

8 UNIWERSYTET KAZIMIERZA WIELKIEGO, WMFiT, ZT Laboratorium Sieci Komputerowych Sprawozdanie z wykonania ćwiczenia Sprawne piny przygotowanego kabla nr ćwiczenia: 1 Warstwa fizyczna sieci LAN grupa : zespół: data: ocena : Imię i Nazwisko członków zespołu (drukowanymi literami) Zapoznanie z mediami transmisyjnymi Numer obiektu Rodzaj kabla lub wtyczk kabel UTP cat5e kabel STP kabel koncentryczny kabel roll-over światłowód zakończony wtykiem ST wtyczka BNC wtyczka DB9 (żeńska) wtyczka RJ11 wtyczka SmartSerial Wtyczka DB60 Terminator T-connector 6.3 Identyfikacja rodzajów kabli UTP (II albo X) Numer Jaki kabel? Numer Jaki kabel? Numer Jaki kabel? Kolory pinów we wtyczkach kabla krosowego Kolor - wtyczka 1 Nr. pinu Kolor - wtyczka P.Żmudziński ver3.1 8