Определение локальных сетей и их топология

Циклические коды (CRC)

Циклические коды - это семейство помехоустойчивых кодов, включающее в себя в качестве одной из разновидностей коды Хэмминга. В целом оно обеспечивает большую гибкость с точки зрения возможности реализации кодов с необходимой способностью обнаружения и исправления ошибок, определяемой параметром d0, по сравнению с кодами Хэмминга (для которых d0=3 или d0=4). Широкое использование циклических кодов на практике обусловлено также простотой реализации соответствующих кодеров и декодеров.

Основные свойства и само название циклических кодов связаны с тем, что все разрешенные комбинации бит в передаваемом сообщении (кодовые слова) могут быть получены путем операции циклического сдвига некоторого исходного кодового слова:

(a0a1…an-2an-1);

(an-1a0a1…an-2);

……………………….

Циклические коды задаются с помощью так называемых порождающих полиномов (многочленов) g(x) или их корней. Порождающий полином имеет вид

G(x)=gr xr + gr-1 xr-1 + … + g0

где gi={0,1}, x=2. Кроме того, вводятся полином исходного cообщения

u(x) = uk-1 xk-1 + uk-2 xk-2 + … +u0

и кодированного сообщения

A(x) = an-1 xn-1 + an-2 xn-2 + … + a0

Для этих полиномов, представляющих собой по существу альтернативную запись чисел в двоичной системе счисления, определяются операции сложения, умножения и деления, необходимые для организации кодирования и декодирования сообщения. Все операции выполняются по модулю 2.

Последовательность кодирования на примере циклического кода (7,4,3), имеющего g(x) = x3 + x + 1, следующая:

1) информационная часть сообщения записывается в виде полинома:

u(x) = uk-1 xk-1 + uk-2 xk-2 + … +u0

В рассматриваемом примере k=4 и для сообщения 0111 получается

u(x) = x2 + x + 1

2) u(x) умножается xr, что соответствует циклическому сдвигу исходного сообщения на r разрядов влево:

u(x) x3 = (x2 + x + 1) x3 = x5 + x4 + x3

3) полученный многочлен делится на g(x):

u(x)*xr/g(x) = c(x) R(x)/g(x)

где c(x) - полином-частное с максимальной степенью (k--1);

R(x) - полином-остаток с максимальной степенью (r-1);

- обозначение поразрядной операции суммирования по модулю 2 (исключающее ИЛИ). Кодированное сообщение представляется в виде

A(x)=u(x)xr R(x)

Таким образом, в этом случае

A(x) = (x5 + x4 + x3) ? x = x5 + x4 + x3 + x

Передаваемое кодированное сообщение в обычной двоичной форме имеет вид

0111 010

- -

k - бит r - бит

Один из возможных вариантов аппаратурной реализации кодера для рассматриваемого примера изображен на рис. 10.4 вместе с последовательностью сигналов, подтверждающей получение тех же проверочных разрядов (010) на восьмом такте (r + k + 1=8). Кодер представляет собой сдвиговый регистр с обратными связями, организуемыми с помощью элементов М2 (исключающее ИЛИ, сумматор по модулю 2). Структура обратных связей полностью определяется ненулевыми коэффициентами порождающего полинома g(x). На первых восьми тактах ключ Кл. находится в верхнем положении, формируются проверочные разряды. Затем ключ Кл устанавливается в нижнее положение, что соответствует разрыву цепей обратных связей и передаче непосредственно в канал связи или на

Рис. 10.4. Пример формирования циклического кода (сигнал обратной связи отличен от нуля на 5-м и 6-м тактах)

модулятор проверочных разрядов. Для временного хранения информационной части сообщения с целью последующей ее передачи вместе с проверочными разрядами кодер, очевидно, должен быть дополнен сдвиговым регистром длиной в k разрядов, ключами и соответствующими цепями управления. Однако в целом аппаратурные затраты при реализации кодеров в случае циклических кодов невелики - общее число триггеров и элементов М2 (исключая регистр временного хранения информационной части сообщения) не превышает 2r и не зависит от длины информационной части сообщения.

Двухвходовый элемент М2, на один из входов которого подается в последовательной форме сообщение, на выходе формирует бит четности или нечетности (в зависимости от значения сигнала на втором входе элемента М2-0 или 1) для этого сообщения. В схеме кодера (рис. 10.4) элементы М2 включены между отдельными триггерами сдвигового регистра,причем сигналы обратной связи, поступающие на "свободные" входы элементов М2 (не связанные с передачей собственно сообщения через сдвиговый регистр), зависят как от предшествующих разрядов сообщения, так и от структуры обратных связей, принятой в кодере. В результате циклический код, формируемый таким кодером, можно считать совокупностью обобщенных бит четности и нечетности, тип которых (четность или нечетность) не определен заранее и может динамически меняться от такта к такту.

Порождающие полиномы, представляющие собой так называемые неприводимые многочлены (делятся лишь на единицу и на самих себя), табулированы для разных значений n, k и d0. Практически в компьютерных сетях используются циклические коды длиною в 2 или 4 байта (16 или 32 бита), а параметры n, k и d0 в явном виде не указываются. Это связано с возможностью выбора различной длины поля данных в пакете на этапе установления и выбора параметров соединения при неизменной длине поля циклического кода. Теоретическая вероятность ошибки при приеме в случае использования циклического кода не хуже pош 1/2r, так что для выполнения условия стандарта pош 10-6 необходимое число проверочных разрядов r ? log2106 ? 20. Кроме случайно распределенных,циклический код позволяет обнаруживать подряд следующие ошибки (так называемые пакеты ошибок) длиною l = r или меньше. Это особенно важно в связи с возможностью возникновения продолжительных во времени помех, действующих на протяженные линии передачи в компьютерных сетях.

Циклические коды обладают способностью исправления ошибок высокой кратности (при большом значении параметра d0) и известны технические решения декодеров с исправлением ошибок, однако практическая реализация таких декодеров на современном этапе представляется затруднительной, особенно в случае широкополосных (высокоскоростных) каналов связи. В настоящее время более распространены декодеры с обнаружением ошибок. При использовании обнаруживающего декодера неверно принятая информация может игнорироваться либо может быть запрошена повторная передача той же информации. В последнем случае предполагается наличие сигнала подтверждения правильности принятой информации, поступающего от приемника к передатчику. По мере развития элементной базы следует ожидать появления в интегральном исполнении декодеров циклических кодов, способных не только обнаруживать, но и исправлять ошибки.

Кроме систем передачи информации, циклические коды используются в запоминающих устройствах (ЗУ) для обнаружения возможных ошибок в считываемой информации. При записи файлов на диск (в том числе при их архивировании) вместе с файлами формируются и записываются соответствующие циклические коды. При чтении файлов (в том числе при извлечении файлов из архива) вычисленные циклические коды сравниваются с записанными и таким образом обнаруживаются возможные ошибки. Свойства циклического кода лежат в основе сигнатурного анализа (эффективного способа поиска аппаратных неисправностей в цифровых устройствах различной сложности). Варианты практической реализации соответствующих кодеров и сигнатурных анализаторов имеют между собой много общего.

Следует сделать два замечания относительно сложившейся терминологии. Понятие "циклические коды" достаточно широкое, тем не менее на практике его обычно используют для обозначения только одной разновидности, описанной выше и имеющей в англоязычной литературе название CRC (Cyclic Redundancy Check - циклическая избыточная проверка). Более того, поле пакета или кадра, фактически содержащее код CRC,часто называется "контрольной суммой" (FCS - контрольная сумма кадра), что в принципе не верно, так как контрольная сумма формируется иначе. Однако именно этот термин получил широкое распространение.

Перспективными с точки зрения аппаратурной реализации представляются коды БЧХ (коды Боуза - Чаудхури - Хоквингема), так же, как и коды Хэмминга, входящие в семейство циклических кодов. Коды БЧХ не слишком большой длины (примерно до n=1023) оптимальны или близки к оптимальным кодам, то есть обеспечивают максимальное значение d0 при минимальной избыточности. Эти коды уже нашли практическое применение в цифровых системах записи звука (речи, музыки), причем в варианте, предусматривающем исправление обнаруженных ошибок. Относительно невысокие частоты дискретизации звуковых сигналов (48 или 96 кГц) не препятствуют проведению дополнительных вычислений так жестко, как в случае высокоскоростных сетей.

Лекция 11

Как уже отмечалось, существует несколько стандартных сегментов сети Ethernet/Fast Ethernet. Каждый из них имеет свои достоинства и недостатки, области применения. При установке сети необходимо сделать обоснованный выбор оборудования, с тем чтобы потом не пришлось тратить значительные суммы на его замену.

Аппаратура 10BASE5

Стандарт 10BASE5 определяет сегмент Ethernet на основе толстого коаксиального кабеля с топологией шина длиной до 500 метров.

Толстый коаксиальный кабель - это классический тип кабеля, который использовался в сети Ethernet с самого начала. В настоящее время он не столь широко распространен, хотя и обеспечивает максимальную протяженность сети с топологией шина. Это связано в первую очередь с большими трудностями монтажа аппаратуры и сравнительно высокой ее стоимостью.

Толстый коаксиальный кабель представляет собой 50-омный кабель диаметром около 1 сантиметра и отличается высокой жесткостью. Он имеет два основных типа оболочки: стандартная PVC желтого цвета (например,кабель Belden 9880) и тефлоновая Teflon оранжево-коричневого цвета (например, кабель Belden 89880). Широко распространен толстый кабель типа RG-11, другой тип - RG-8 (отличие состоит в том, что у RG-11 посеребрена центральная жила). Диаметр центральной жилы - около 2 мм. Толстый кабель - это самая дорогая среда передачи (примерно втрое дороже, чем другие типы). Тем не менее, толстый кабель обладает лучшей помехоустойчивостью, меньшим затуханием и высокой механической прочностью.

По стандарту к одному сегменту (длиной до 500 метров) допустимо подключение не более 100 абонентов. Расстояния между точками их подключения не должно быть меньше, чем 2,5 метра, иначе возникают искажения передаваемых сигналов. Для удобства пользователя на оболочку кабеля часто наносятся черные полоски через каждые 2,5 метра.

Аппаратные средства 10BASE5 представлены на рис. 11.1. Они включают в себя кабель, разъемы, терминаторы, трансиверы и трансиверные кабели. Трансивер представляет собой активный приемопередатчик с детектором коллизий и высоковольтной (до 5 кВ) гальванической развязкой. Кроме того, в трансивере предусмотрена защита от затянувшейся передачи (jabber), подробнее эта функция будет рассмотрена в следующей главе. Трансивер может иметь светодиодные индикаторы питания, передачи, приема и наличия коллизий.

Рис. 11.1. Аппаратура 10BASE5

Для соединения кусков толстого коаксиального кабеля между собой,а также терминаторов с таким кабелем используются разъемы N-типа, установка которых довольно сложна и требует специальных инструментов (в противном случае возможны искажения сигналов на стыках). Два разъема N-типа для увеличения длины кабеля могут соединяться с помощью Barrel-коннекторов.

При выполнении сегмента сети на базе толстого кабеля желательно использовать один кусок кабеля или брать все его куски из одной партии одного производителя. Иначе на стыках разнородных кабелей могут быть искажения сигналов. Если кабель сегмента образуется из нескольких кусков, то с целью снижения отражений сигнала рекомендуется применять куски длиной 23,4 метра, 70,2 метра и 117 метров (с погрешностью 0,5 метра). Никаких ответвлений и разветвлений толстого кабеля не допускается.

На обоих концах кабеля сегмента должны быть установлены 50-омные терминаторы N-типа, один (и только один) из которых надо заземлить.

Толстый кабель никогда не подводят непосредственно к компьютеру сети, это сложно и неудобно для использования, так как компьютеры нельзя будет переместить. Его прокладывают по стене или по полу помещения. Для присоединения сетевых адаптеров к толстому кабелю служат специальные трансиверы (см. рис. 11.2).

Рис. 11.2. Подсоединение адаптера к толстому кабелю

Трансивер (MAU, Medium Attachment Unit - устройство присоединения к среде) устанавливается непосредственно на толстом кабеле и связывается с адаптером трансиверным кабелем.

Для присоединения трансиверов к толстому кабелю чаще всего используются специальные соединительные устройства, предложенные корпорацией AMP, которые не требуют разрезания кабеля в точке присоединения, а просто прокалывают оболочку и изоляцию кабеля и обеспечивают механическое и электрическое соединение как с оплеткой, так и с центральной жилой кабеля. Они носят названия "вампиров". Другой тип соединителя требует разрезания кабеля и установки на оба конца разъемов, поэтому он гораздо менее популярен.

Трансиверный кабель представляет собой гибкий многопроводный кабель диаметром около 1 см, содержащий четыре экранированные витые пары. Длина обычного трансиверного кабеля может достигать 50 метров, а более тонкого и гибкого офисного варианта--12,5 метров, то есть обеспечивается достаточная свобода перемещения компьютеров. На концах трансиверного кабеля устанавливаются 15-контактные разъемы (DIX-разъемы типа "вилка", DB-15P). Трансиверный кабель называется также AUI кабелем (Attachment Unit Interface) или Drop кабелем, спусковым кабелем, а его разъемы - AUI разъемами. Трансивер работает от внутреннего источника питания компьютера и должен потреблять ток не более 0,5 А от источника +12 В.

Сетевой адаптер, работающий с толстым кабелем, должен иметь внешний 15-контактный AUI-разъем (разъем DIX типа "розетка", DB-15S). Назначение контактов этого разъема приведено в табл. 11.1.

Таблица 11.1. Назначение контактов AUI разъема DB15
Контакт	Назначение
1	CD экран
2	CD+
3	TX+
4	RX экран
5	RX+
6	Земля
7	Не используется
8	Не используется
9	CD-
10	TX-
11	TX экран
12	RX-
13	Питание (+ 12 В)
14	Экран питания
15	Не используется

Для связи используются три витые экранированные пары проводов,служащие для передачи трех дифференциальных сигналов:

· передаваемая адаптером в сеть информация (TX+,TX- и TX экран);

· принимаемая из сети в адаптер информация (RX+, RX- и RX экран);

· сигнал наличия коллизии из трансивера в адаптер (CD+, CD- и CD экран).

Провод питания также экранируется для уменьшения влияния внешних наводок. Гальваническая развязка в данном случае осуществляется внутри трансивера. Напряжение изоляции между абонентами составляет до 5 киловольт.

Если в структуре сетевого адаптера предусмотрено переключение (тумблерами или перемычками) "Ethernet - Cheapernet", надо переключить его в режим "Ethernet" (то есть 10BASE5). Ведь именно сегмент 10BASE5 считается изначальным стандартным типом Ethernet.

Схема соединения компьютеров сегмента сети на толстом кабеле показана на рис. 11.3.

Рис. 11.3. Соединение компьютеров сети толстым кабелем

Максимальное количество сегментов при реализации всей сети только на толстом коаксиальном кабеле не должно превышать пяти (общая длина сети - 2,5 километра). Соответственно для соединения пяти сегментов потребуется четыре репитера. При этом должно применяться так называемое правило "5-4-3", то есть не более 5 сегментов, не более 4 репитеров и не более 3 сегментов, к которым могут быть присоединены компьютеры (рис. 11.4).

Рис. 11.4. Соединение сегментов 10BASE5 по правилу "5-4-3"

Минимальный набор оборудования для односегментной сети на толстом кабеле включает в себя следующие элементы:

· сетевые адаптеры (по числу объединяемых в сеть компьютеров) с AUI разъемами;

· толстый кабель с разъемами N-типа на концах, общая длина которого достаточна для объединения всех компьютеров сети;

· трансиверные кабели с 15-контактными AUI разъемами на концах длиной от компьютера до толстого кабеля (по количеству сетевых адаптеров);

· трансиверы (по количеству сетевых адаптеров);

· два Barrel-коннектора N-типа для присоединения терминаторов на концах кабеля;

· один N-терминатор без заземления;

· один N-терминатор с заземлением.

В настоящее время аппаратура 10BASE-5 практически не используется, но в некоторых случаях она еще применяется для организации базовой (Backbone) сети. Доля сетевых адаптеров с AUI разъемами сейчас не превышает 5%.

Аппаратура 10BASE2

Стандарт 10BASE2 определяет сегмент Ethernet на основе тонкого коаксиального кабеля с топологией шина длиной до 185 метров (то есть около 200 метров, на это указывает цифра 2 в названии сегмента). Данный тип сегмента появился позже, чем сегмент 10BASE5, как более удобная и дешевая альтернатива классическому варианту Ethernet.

Тонкий коаксиальный кабель отличается от толстого вдвое меньшим диаметром (около 5 мм), значительно большей гибкостью, удобством монтажа, стоимостью (примерно в три раза дешевле толстого). Не удивительно, что сети на его основе получили гораздо большее распространение. Тонкий кабель, как и толстый, имеет волновое сопротивление 50 Ом и требует такого же 50-омного оконечного согласования. Если толстый кабель обязательно должен быть надежно закреплен, например, на стене или на полу помещения, то тонкий кабель вполне может быть проложен навесным монтажом, что позволяет довольно просто перемещать компьютеры в пределах помещения.

Самым большим недостатком тонкого кабеля является меньшая допустимая длина сегмента (до 185 метров). Иногда производители сетевых адаптеров указывают допустимую длину сегмента 200 или даже 300 метров. В последнем случае может оказаться, что такие сетевые адаптеры не способны связываться с адаптерами других изготовителей, так как используют нестандартные уровни сигналов. Наиболее распространенный тип тонкого коаксиального кабеля - это RG-58 A/U. Его электрические параметры (затухание, помехозащищенность) хуже, чем у толстого кабеля, что и определяет меньшую допустимую длину сегмента.

Аппаратура для работы с тонким кабелем (рис. 11.5) гораздо проще,чем в случае толстого кабеля. Помимо сетевых адаптеров требуются только кабели соответствующей длины, разъемы, Т-коннекторы (тройники) и терминаторы (один с заземлением).

Рис. 11.5. Аппаратура 10BASE2

Между каждой парой абонентов прокладывается отдельный кусок кабеля с двумя байонетными разъемами типа BNC на концах. Минимальная длина куска кабеля (минимальное расстояние между абонентами) -0,5 метра. Общее количество абонентов на одном сегменте не должно превышать 30.

Допускается, хотя и не рекомендуется соединение кусков кабеля между собой с помощью BNC I-коннекторов (Barrel-коннекторов). Разъемы на кабель могут припаиваться, но чаще устанавливаются с помощью специального обжимного инструмента, причем надо следить, чтобы обжимной инструмент соответствовал марке выбранного разъема.

На плате адаптера должен находиться BNC-разъем, к которому присоединяется BNC T-коннектор, связывающий плату с двумя кусками кабеля (рис. 11.6). Гальваническую развязку осуществляет сам адаптер, напряжение изоляции составляет 100--150 вольт, что значительно меньше,чем в случае толстого кабеля. Металлический корпус BNC-разъема гальванически развязан с корпусом компьютера. Соединять их нельзя.



Рис. 11.6. Присоединение адаптера к тонкому коаксиальному кабелю

Если в структуре сетевого адаптера предусмотрено переключение режимов (тумблерами или перемычками) "Ethernet - Cheapernet", надо переключить адаптер в режим "Cheapernet" (это распространенное название сегмента 10BASE2 вообще и тонкого коаксиального кабеля в частности).

В принципе допускается включить между разъемом адаптера и BNC T-коннектором отрезок кабеля и расположить весь соединительный узел (Т-коннектор и два BNC разъема) подальше от адаптера и компьютера.Но стандарт определяет, что длина такого вставленного отрезка кабеля не должна превышать 4 см. Вряд ли кабель такой небольшой длины что-нибудь даст, поэтому лучше все-таки выполнять соединение именно так, как показано на рис. 11.6.

Пример соединения компьютеров в сеть с помощью тонкого кабеля показан на рис. 11.7. Здесь, как и в случае толстого кабеля (10BASE5), реализуется стандартная топология шина. На концах кабеля (на разъемы крайних адаптеров) включаются 50-омные терминаторы, один (и только один) из которых необходимо заземлить.



Рис. 11.7. Соединение компьютеров сети тонким кабелем

Следует отметить, что разъемы отечественного производства типа СР-50 подходят для соединения с импортными разъемами BNC. Однако совсем небольшое отличие в размерах этих разъемов приводит к тому, что их соединение требует значительных физических усилий, опасных для целости адаптера, так что лучше все-таки придерживаться одного типа разъемов.

При необходимости увеличения длины сети можно использовать репитеры (рис. 11.8) Если вся сеть выполняется на тонком кабеле, то, согласно стандарту, количество сегментов не должно превышать пяти (таким образом, общая длина сети составит 925 метров, потребуется четыре репитера). Как и в случае 10BASE5, необходимо соблюдать правило "5-4-3", то есть только на трех сегментах могут располагаться компьютеры. К одному сегменту может подключаться до 30 абонентов, включая и репитеры.

Рис. 11.8. Объединение сегментов 10BASE2 с помощью репитеров

Минимальный набор оборудования для односегментной сети на тонком кабеле должен включать в себя следующие элементы:

· сетевые адаптеры (по числу объединяемых в сеть компьютеров);

· отрезки кабеля с BNC-разъемами на обоих концах, общая длина которых достаточна для объединения всех компьютеров;

· BNC Т-коннекторы (по числу сетевых адаптеров);

· один BNC терминатор без заземления;

· один BNC терминатор с заземлением.

Если сеть создается из нескольких сегментов с использованием репитеров и концентраторов, то надо учитывать, что некоторые концентраторы имеют встроенные 50-омные терминаторы (иногда - отключаемые), что упрощает проблемы согласования. Если же таких встроенных терминаторов нет, то надо использовать внешние терминаторы на каждом конце сегмента,и тогда перечисленная аппаратура будет требоваться для каждого сегмента.

В принципе, реализация какого-то сегмента сети на базе отрезков кабелей разного типа (толстого и тонкого) возможна. В этом случае для расчета допустимой длины сегмента кабеля рекомендуется пользоваться следующим соотношением:

(3,28 x Lтн) + Lтл < 500 м,

где Lтн и Lтл - соответственно длина тонкого и толстого кабеля. Но лучше все-таки использовать точный расчет работоспособности сети, который описан в главе 10.

До недавнего времени аппаратура 10BASE2 была самой популярной. Кабели, разъемы, адаптеры для нее выпускались наибольшим количеством производителей, что приводило к регулярному снижению цен. Но сейчас ее все больше вытесняет 10BASE-T, порой совершенно неоправданно, ведь для небольших сетей Ethernet сегмент 10BASE2 обычно представляет собой более дешевое и удобное решение. Правда, 10BASE2 не имеет таких возможностей модернизации, как 10BASE-T.

Размещено на Allbest.ru