Moduł 4 Media sieciowe 1. Sieci budowane w oparciu o kable miedziane koncentryczne 2. Sieci budowane w oparciu o kable miedziane typu skrętka
1. Sieci budowane w oparciu o kable miedziane koncentryczne Medium sieciowe jest to środowisko, w jakim rozchodzić się będą nasze informacje. Możemy tu zastosować analogię do listów wysyłanych pocztą tradycyjną. W tym przypadku medium, czyli nośnikiem treści, będzie papier, który po przetransportowaniu dostarczy informacje. Pierwsze sieci komputerowe, jako takiego medium używały kabli miedzianych o budowie koncentrycznej. Co to jest kabel koncentryczny? Rys. 4.1 Budowa kabla koncentrycznego na przykładzie MK95 Źródło: http://pliki.interprojekt.pl/wiki/attach/budowa%20kabla%20koncentrycznego/kabchem.gif Na rysunku 4.1 przedstawiony został przykład kabla z tej szerokiej rodziny. Przewód niosący informacje znajduje się centralnie wewnątrz kabla i wykonany jest z miedzi. To nim będą transportowane informacje w postaci impulsów elektrycznych. Żeby było to możliwe, należy przyjąć jakiś punkt odniesienia dla sygnałów elektrycznych, m.in. dlatego wprowadzono drugi biegun jakim jest masa. Ekran nawinięty w postaci siatki na dielektryk, znajdujący się na naszym przewodzie, pełni dwie role. Pierwsza to zapewnienie punktu odniesienia dla sygnałów niosących dane, druga to ograniczenie zakłóceń elektromagnetycznych docierających z zewnątrz do kabla. Oprócz siatki, często w przewodach koncentrycznych stosuje się dodatkowo warstwę ekranującą z folii aluminiowej. Taka konstrukcja kabla zapewniała pierwszym sieciom najważniejszy parametr jakim był zasięg. Zastosowanie kabla koncentrycznego RG8, który posiadał żyłę wewnętrzną o średnicy 2,25 mm pozwoliło w sieciach 10Base5 na odległość w jednym segmencie do 500m. Przy tak dużym przekroju, przewód ma bardzo małą rezystancję, co przekłada się na niskie tłumienie sygnału. Ten parametr zadecydował o zastosowaniu tego rodzaju okablowania w pierwszych popularnych rozwiązaniach sieci LAN. Przy rosnącym zapotrzebowaniu na przyłączenia komputerów do sieci spadała odległość między kolejnymi aktywnymi uczestnikami ruchu. Ten fakt zadecydował o zmianie okablowania na cieńsze. Mniejszy przekrój to oczywiście większe tłumienie, ale zagęsz- 2
czenie użytkowników pozwalało obniżyć ten parametr. Sieci koncentryczne straciły na znaczeniu w momencie, kiedy nasiliły się działania zmierzające do eliminacji skutków awarii sieci. Koncentryczna magistrala uszkodzona w dowolnym miejscu przestawała prawidłowo działać. Rozwiązaniem tego problemu miała być zmiana topologii oraz okablowania dedykowane dla każdego użytkownika. 2. Sieci budowane w oparciu o kable miedziane typu skrętka Skrętka komputerowa, czyli najpowszechniej obecnie stosowane medium miedziane w sieciach lokalnych. Na czym polega fenomen tego rozwiązania, którego twórcą jest pośrednio Alexander Graham Bell? To on wymyślił kabel sygnałowy wykonany ze skręconych żył, co miało ograniczyć zakłócenia elektromagnetyczne i zakłócenia wzajemne. Właśnie te cechy skręconych przewodów są bardzo potrzebne przy transmisji sygnałów w sieciach lokalnych. Rys. 4.2 Kabel typu skrętka UTP Źródło: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/cb/utp_cable.jpg Odporność na zakłócenia i jednoczesna eliminacja wpływu par sąsiadujących na siebie, doprowadziła do skonstruowania czteroparowego kabla na potrzeby transmisji komputerowych. Dlaczego cztery pary? Dobre pytanie. Pierwsze sieci Ethernet wykorzystujące skrętkę potrzebowały tylko dwóch par przewodów. Standard 10BaseT definiował wykorzystanie jednej pary do nadawania sygnałów, a drugiej do odbierania. Następca pierwszego rozwiązania, tzw. Fast Ethernet, również potrzebuje tylko dwóch par do transmisji sygnałów pozostawiając dwie bezużyteczne. Dopiero Gigabit Ethernet zużywa pełen profil kabla skrętkowego, czyli cztery pary. Na przestrzeni lat i zmieniających się technologii, konstrukcja kabla typu skrętka też ulegała modyfikacjom. Kolejne wersje zwiększały zakres częstotliwości, które mogły być przenoszone przez skręcone 3
pary. Szersze pasmo to większa prędkość osiągana na danym typie okablowania określanym przez kategorie. Pierwsze sieci LAN budowane były na kablach kategorii trzeciej. Okablowanie tego typu pozwalało przenosić częstotliwości 16MHz. Kolejną odmianą kabla jest kategoria piąta. W oparciu o takie skrętki powstało mnóstwo sieci Fast Ethernet. Chociaż parametrami niewiele różni się od kabli kat. 5E, to dopiero ta wersja zapewnia prawidłową obsługę sieci Gigabit Ethernet. Zestawienie dostępnych odmian okablowania skrętkowego znajdziesz w tabeli poniżej. kategoria typ kabla maks. częstotliwość maks. przepływność 1 nieekranowany kabel telefoniczny do transmisji analogowej 2 nieekranowany kabel telefoniczny do transmisji cyfrowej głosu 1 Mb/s 3 skrętka UTP, FTP, lub STP 16 MHz 10 Mb/s 4 skrętka UTP, FTP, lub STP 20 MHz 16 Mb/s 5 skrętka UTP, FTP, lub STP 100 MHz 100 Mb/s 5e skrętka UTP, FTP, lub STP o poprawionych parametrach tłumienia, FEXT, NEXT i RL w stosunku do kat. 5 100 MHz 1000 Mb/s 6 skrętka UTP, FTP, lub STP 250 MHz do 10 Gb/s 7 skrętka FTP, lub STP 600 MHz 7a skrętka FTP, lub STP 1000 MHz Tabela 4.1 Zestawienie kategorii kabli typu skrętka Źródło: materiały własne Jak widać z tego zestawienia częstotliwość, którą potrafią przenieść najnowsze skrętki to nawet 1000 MHz. Dzięki odpowiedniej konstrukcji kabla możliwe jest osiąganie dużych prędkości transmisji pod warunkiem zachowania surowych reguł montażu. W praktyce od kategorii szóstej nie stosuje się kabli nieekranowanych, a dopuszczalne rozkręcenie par przy instalacji wynosi kilka milimetrów. Postawione wysoko wymagania dotyczące kultury montażu obarczone ryzykiem nie spełnienia parametrów jakościowych złącz sprawia, że dzisiejsze sieci dużych prędkości w większości są opanowane przez kable światłowodowe. Czy naprawdę niedługo zapomnimy o skrętce? Pewnie nie tak szybko. Są przecież dziedziny życia, gdzie nie są potrzebne prędkości powyżej 1Gb/s. Dodatkowym atutem skrętki będą również wolne pary w sieciach Fast Ethernet. Zgodnie z zapisami standardu IEEE 802.3af para niebieska i brązowa mogą być wykorzystywane do zasilania nisko-napięciowego. Standard ten przyjęło się nazywać PoE (ang. Power over Ethernet). Połączone przewody w ramach jednej pary stanowią jeden biegun zasilania. Styki 4,5 stanowią biegun dodatni, natomiast 7 i 8 ujemny. Rozwiązanie to jest chętnie wykorzystywane do zasilania taki urządzeń, jak kamery IP czy Access Point do sieci bezprzewodowych. Wykorzystując jeden przewód dostarczamy zasilanie prowadząc jednocześnie transmisję danych w standardzie Fast Ethernet. Do odpowiedniego włączenia zasilania w okablowanie typu skrętka stosuje się często specjalne adaptery PoE. Wyposażone w 2 gniazda RJ45 i gniazdo zasilania stanowią przejście dla sygnałów danych i dołączenie zasilania do wolnych par. 4
Rys. 4.3 Adapter PoE Źródło: http://images.dipol.com.pl/pict/n9202+.jpg Rys. 4.4 Kamera IP z zasilaniem PoE Źródło: http://www.ubnt.com/media/product/airvision/hardware-overview/ubnt-aircam- 2.jpg Na rynku pojawiły się również switche oferujące podłączanym urządzeniom zasilanie PoE podawane bezpośrednio z ich portów. Ograniczając w ten sposób liczbę połączeń upraszczamy sieć i eliminujemy możliwości pojawiania się uszkodzeń. Rys. 4.5 Switch oferujący zasilanie PoE na portach 1-4 Źródło: http://images.dipol.com.pl/pict/n29930+++.jpg 5
Dlaczego w takim razie coraz częściej sięgamy po światłowody nawet w budowie sieci lokalnych? Przyczyn jest kilka. a. Sieci budowane w oparciu o kable światłowodowe Światłowód zbudowany w oparciu o szkło krzemionkowe stanowi medium, w którym informacje są przenoszone przy pomocy impulsów świetlnych. Zamiana impulsu elektrycznego na impuls świetlny sprawia, że instalacje światłowodowe są odporne na zakłócenia elektromagnetyczne. Ta niewątpliwa zaleta sprawia, że chętnie sięgają po światłowód Ci, dla których zakłócenia stanowią problem. Czy wiesz, że w samolotach też stosuje się światłowody? Dokładnie tak. Między kokpitem i ogonem wielkich samolotów pasażerskich ułożone są kable światłowodowe dla zwiększenia bezpieczeństwa przesyłanych informacji sterujących. Żadne, nawet silne pola magnetyczne nie zmienią informacji wysyłanych do sterowania urządzeniami w odległych częściach samolotu. Światłowód to nie tylko bezpieczeństwo, to również nieosiągalne wcześniej prędkości. W sieciach lokalnych 1Gb/s stał się podstawowym standardem, a przepływności 10Gb/s nie są czymś szczególnym. Jak zbudowany jest kabel światłowodowy? Zacznijmy od przyjrzenia się konstrukcji pojedynczego włókna. Rys. 4.6 Budowa pojedynczego włókna światłowodowego Źródło: http://edu.pjwstk.edu.pl/wyklady/wspsi/scb/gfx_02/struktwlswiat.jpg Najważniejszym elementem jest tzw. rdzeń światłowodu zbudowany najczęściej ze szkła krzemionkowego. Jego średnica jest różna dla światłowodów jedno- i wielomodowych. Pokryty płaszczem, a następnie polakierowany stanowi strukturę, wewnątrz której dochodzi do zjawiska całkowitego wewnętrznego odbicia światła. To dzięki różnemu współczynnikowi załamania światła w sąsiadujących ośrodkach, co pokazane jest na rysunku 4.6, dochodzi do odbicia promienia na granicy rdzeń-płaszcz i transportowania go wewnątrz. Ale kable to najczęściej więcej niż jedno włókno. W zastosowaniach lokalnych przekroje sięgają najczęściej kilkunastu włókien. Inaczej sprawa wygląda w sieciach dalekiego zasięgu, gdzie w pojedynczym kablu znajduje się kilkaset włókien światłowodowych. Na rysunku 4.7 został przedstawiony przekrój typowego kabla stosowanego w sieciach lokalnych. Włókna światłowodowe (1) grupowane są po 6, 12, 22 i lakierowane na różne kolory. Taka grupa zostaje zamknięta w tzw. tubie (3), która stanowi element ochronny i porządkowy przy większej ilości włókien. Wypełnienie tuby często stanowi żel (2), który stabilizuje włókna oraz dodatkowo chroni przed wnika- 6
niem wilgoci do wnętrza kabla. Istotne w kablach światłowodowych są elementy wytrzymałościowe. Zarówno pręty stalowe (4), jak i rdzeń (6), wykonany często z kevlar u, służą zwiększeniu wytrzymałości mechanicznej kabla na zginanie i zrywanie. Dosyć kruche włókna są wrażliwe na naprężenia mechaniczne, dlatego niezmiernie istotna jest ich ochrona. Wypełnienie profilu kabla stanowią elementy dielektryczne (7) zastępujące niepotrzebne tuby. Całość zamknięta jest w izolacji z polietylenu dużej gęstości odpornego na promieniowanie UV. Rys. 4.7 Konstrukcja kabla światłowodowego do sieci lokalnych Źródło: http://pliki.interprojekt.pl/wiki/attach/kabel_swiatlowodowy_24j_optix_z- XOTKtd/OPTIX-Z-XOTKTD.jpg Jak widać, konstrukcja kabla światłowodowego różni się znacząco od kabli miedzianych. Główną przyczyną jest wprowadzenie elementów wytrzymałościowych. Do podobieństw można zaliczyć oznaczenie kolorystyczne włókien, podobnie jak w kablach miedzianych typu skrętka. Jakie typy światłowodów spotkać można najczęściej w sieciach lokalnych? Pierwsze światłowody jakie zastosowano w sieciach LAN były montowane w odmianie Fast Ethernetu 100Base-FX. Dwa włókna wielomodowe, po jednym dla każdego kierunku, zapewniały transmisję na odległość 2000 metrów. Rys. 4.8 Różnice między światłowodami wielo- i jednomodowymi Źródło: http://edu.pjwstk.edu.pl/wyklady/wspsi/scb/gfx_02/565e3b2a.jpg 7
Światłowód wielomodowy o średnicy rdzenia 50 lub 62,5 mikrometra pozwala na transmisję danych z wykorzystaniem wielu modów światła. Tego rodzaju transmisja jest obarczona zjawiskiem dyspersji modowej, która doprowadza do rozmycia impulsu po pokonaniu światłowodu. Jeżeli porównamy impuls optyczny wejściowy i wyjściowy na rysunku 4.8 widać, że różna droga pokonana wewnątrz rdzenia przez poszczególne mody światła doprowadza do wydłużenia impulsu wyjściowego w czasie. Zjawisko to zostało nieco zniwelowane w światłowodach gradientowych, jednak nadal rozmycie impulsu nie pozwalało na zagęszczenie informacji i zwiększenie przepływności sieci opartej na tego typu światłowodach. Dopiero wprowadzenie światłowodów jednomodowych znacznie poprawiło parametry transmisyjne i znacznie zwiększyło zasięg sieci światłowodowych. Przy zastosowaniu odpowiednich źródeł światła i fotodetektorów uzyskanie odległości kilkudziesięciu kilometrów nie jest żadnym problemem. Co jest w takim razie barierą w powszechnym wprowadzaniu światłowodów do użytku? Podstawowym problemem jest świadomość tej techniki. Ceny okablowania i osprzętu w ostatnich latach spadły bardzo mocno. Większość techników uważa tę technikę za nieosiągalną ze względu na metody łączenia kabli. Spawanie światłowodów nadal niestety jest uważane za jedyną, dosyć drogą metodę łączenia, podczas gdy na rynku dostępnych jest kilka rodzajów spawów mechanicznych. W kolejnych rozdziałach spróbuję przybliżyć, jak wykonać połączenie światłowodowe i myślę, że niektórzy po zapoznaniu się z dodatkowymi informacjami będą potrafili wykonać najprostsze takie łącze. b. Sieci bezprzewodowe radiowe Ostatnie medium, które powszechnie jest wykorzystywane w sieciach lokalnych, to sieci radiowe. Grupa technik opisanych normą IEEE 802.11, powszechnie stosowana na całym świecie, pozwala na łączenie różnych urządzeń na niewielkie odległości na falach radiowych o częstotliwości 2,4 oraz 5 GHz. Czy fale radiowe zastąpią media kablowe? Myślę, że są doskonałym uzupełnieniem, jednak nie pozbawionym wad i ograniczeń. Pokusa wynikająca z użycia sieci bez kabli jest dosyć duża. Pierwsze sieci tego typu pozwalały na transmisję na poziomie 11Mb/s. Nie była to prędkość zachwycająca, a dodatkowo część informacji przesyłanych w kanale radiowym stanowiły sygnały sterujące. Dostępne pasmo dla użytkownika było dodatkowo ograniczone. Wprowadzenie następnych rozwiązań pozwoliło na wzrost prędkości do 54Mb/s. Kiedy wydawało się, że szerokość kanałów oraz dostępne pasmo częstotliwości nie pozwoli na wzrost prędkości, pojawiła się technologia MIMO (Multiple Input Multiple Output). Wprowadzenie dodatkowych anten nadawczych i odbiorczych pozwoliło na skorzystanie z transmisji wielodrogowej. Teoretyczna prędkość, jaką można osiągnąć z wykorzystaniem tej techniki to aż 600Mb/s, jednak praktycznie jeszcze nie osiągnięta. Zadowalające parametry ruchowe, które pozwalają często na pracę na poziomie Fast Ethernetu nie zawsze są osiągalne. Fale radiowe, szczególnie wyższych częstotliwości, pozwalają na dobrą widoczność między nadajnikiem i odbiornikiem. Dodatkowym problemem sieci radiowych jest wspólne pasmo dla wszystkich użytkowników. Nie tylko użytkownicy naszego Access Pointa, ale wszystkich sąsiednich, pracujących na tym samym kanale, stanowią konkurencję w dostępie do wspólnego medium. Dlatego praca w sieciach radiowych, szczególnie w miejscach o ich dużym zagęszczeniu nie zawsze jest łatwa. Innym problemem, z jakim borykały się na początku sieci radiowe, było bezpieczeństwo. Używanie fal radiowych umożliwiało wszystkim przechwycenie takiej transmisji, jak również dosyć proste podłączenie się do takiej sieci. Próbą poprawy sytuacji było wprowadzenie klucza szyfrującego WEP. Niestety ta metoda zabezpieczenia nie jest szczególnie silna i od momentu jej złamania nie jest zalecana do używania. Kolejne metody zabezpieczeń to protokoły szyfru- 8
jące WPA i WPA2. Mimo dużo bardziej zaawansowanej metody szyfrowania transmisji i te protokoły już kilka razy poddały się wytrawnym hakerom. Czy w takim razie medium radiowe pozostanie zawsze niebezpieczne? Wszystko zależy oczywiście od desperacji osoby włamującej się. Biorąc pod uwagę bezpośredni dostęp do medium dla wszystkich intruzów niewątpliwe pozostawione jest tu duże pole do nadużyć. Czy jednak ktoś wyobraża sobie świat bez WiFi? Chyba nie, dlatego użytkowanie tego typu sieci warto poprzedzić zapoznaniem się z technikami, jakie są dostępne w tym zakresie. Oprócz WiFi, łączność radiowa często kojarzy się z technologią Bluetooth. Nie jest to jednak typowa sieć, a raczej technika łączności punkt-punkt. Odwołując się do zapisów prawnych podobnie jak w innych krajach, częstotliwości z zakresu 2401-2495 MHz oraz 5470-5725 MHz są ogólnie dostępne dla potrzeb łączności komputerowej krótkiego zasięgu. W zakresie 2,4 GHz użytkownicy mogą emitować sygnał o mocy 100mW wypromieniowywanych z anteny. Częstotliwość 5GHz jest silniej tłumiona przez środowisko, dlatego dopuszczalna moc promieniowana została ustalona na poziomie 1W. Nie przestrzeganie tych wartości może doprowadzić do kary administracyjnej nałożonej przez Urząd Komunikacji Elektronicznej. c. Różne metody dostępu do sieci Każda sieć komputerowa musi w jakiś sposób regulować dostęp do medium transmisyjnego. Mechanizm regulowania dostępu do nośnika może być realizowany w różny sposób. W sieciach LAN najczęściej spotyka się cztery sposoby: rywalizacji, przesyłania tokenu, priorytetu żądań, przełączania. Pierwsza metoda jest prostym sposobem regulowania dostępu, pozbawionym scentralizowanych mechanizmów. Każdy nowo przyłączany komputer do sieci sam musi zadbać o możliwość skorzystania z medium transmisyjnego. Domena rywalizacji często nazywana jest domeną kolizyjną. Znany z sieci 10Base-x dostęp do wspólnego medium został rozwiązany przy pomocy protokołu CSAM/CD. Założenia dla tego rodzaju dostępu były następujące: w danej chwili tylko jedno urządzenie w sieci nadaje, urządzenie albo wysyła albo odbiera informacje. Praca naprzemienna nadawanie-odbiór została nazwana półdupleksem (ang. Half Duplex). Kolejne rozwiązanie opiera się na przesyłaniu tokenu i jest charakterystyczne dla sieci w topologii pierścieniowej. Zarówno rozwiązania TokenRing jak i FDDI opierają swój dostęp do medium o elektroniczny znacznik, który krąży po sieci przekazywany od jednego do kolejnego użytkownika. Tylko uczestnik ruchu, który w danym momencie posiada żeton ma prawo wysyłać informacje w sieć. Pozostali użytkownicy nasłuchując oczekują swojej kolejki. Trzeci sposób obsługi dostępu do nośnika był stosowany w sieciach 100VG-AnyLAN. Nowatorskie podejście do obsługi arbitrażu polegało na przesyłaniu żądania dostępu do sieci przez użytkowników. Centralny wzmacniak (koncentrator) regularnie sprawdzał stan portów do niego przyłączonych określając, który wysyła żądanie transmisji. Po rozpoznaniu zgłoszenia żądania transmisji określa jego priorytet. Na tej podstawie podejmowana jest decyzja o kolejności wysyłania informacji do sieci. Ostatnim sposobem dostępu do medium jest przełączanie. Nie jest to w zasadzie metoda rywalizacyjna, bo w dzisiejszych sieciach najczę- 9
ściej jedno urządzenie jest przyłączone do jednego portu przełącznika. Urządzenie to jak wiemy uczy się MAC adresów użytkowników sieci i na ich podstawie jest w stanie precyzyjnie kierować ruch. W tym przypadku trudno mówić o rywalizacji o medium, ponieważ każda ramka przesłana do przełącznika z wykorzystaniem jego indywidualnego portu jest traktowana indywidualnie. A jakie rozwiązania stosowane są w sieciach radiowych? Podobnie jak w pierwszych sieciach miedzianych pojawił się protokół określający sposób dostępu do medium radiowego. Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance, w skrócie CSMA/CA, to protokół stosowany w sieciach 802.11. Użytkownik, który chce coś wysłać nadaje w kierunku AP ramkę RTS. Jeżeli żaden inny użytkownik nie nadaje, otrzymuje potwierdzenie gotowości ramką CTS. W tym momencie może wysłać dane (DATA), które zostaną potwierdzone ramką ACK. W przypadku uszkodzenia transmisji lub nie otrzymania przez nadawcę w określonym czasie potwierdzenia, dane zostaną wysłane ponownie. Podsumowując, metody dostępu do medium miały znaczenie w pierwszych sieciach przewodowych oraz we wszystkich sieciach radiowych. Tylko wspólne medium transmisyjne determinuje obsługę arbitrażu dostępu do niego. Inaczej wygląda to w przypadku sieci przełączanych, gdzie nie istnieje problem wspólnego medium. Bibliografia: 1. Halska B., Bensel P., Kwalifikacja E.13. Projektowanie lokalnych sieci komputerowych i administrowanie sieciami. Podręcznik do nauki zawodu technik informatyk. Część 1., Gliwice, Helion 2013 2. Dye M.A., McDonald R., Ruf A.W., Akademia sieci Cisco. CCNA Exploration. Semestr 1 Podstawy sieci., Warszawa, Wydawnictwo Naukowe PWN 2011 3. Pawlak R., Okablowanie strukturalne sieci. Teoria i praktyka. Wydanie III, Gliwice, Helion 2011 Netografia: 1. Dipol Sp.J. Poradnik Instalatora WLAN http://www.dipol.com.pl/poradnik_instalatora_wlan_bib86.htm 2. ABC Szerokopasmowych sieci światłowodowych http://www.szerokopasmowi.pl/ 3. ABC pracy ze światłowodami dla początkujących http://www.dipol.com.pl/abc_pracy_ze_swiatlowodami_dla_poczatkujacych bib 329.htm 4. Rodzaje złącz w urządzeniach WLAN, GSM, 3G, LTE http://www.dipol.com.pl/rodzaje_zlacz_w_urzadzeniach_wlan_gsm_3g_lte_bib52 5.htm 10