FAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVA

Zavod za elektroničke sustave I obradbu informacija

 

 

 

 

 

 

 

 

 

SUSTAVI ZA PRAĆENJE I VOĐENJE PROCESA

 

LAN

(Local Area Network)

Lokalne mreže

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Samir Hadžimusić & Drago Kozic

 

1. UVOD

Lokalne mreže mogu se podijeliti obzirom na:

1.1. Vrsta prijenosa

Osnovna gruba podjela proizlazi iz frekvencijskog pojasa unutar kojeg se obavlja prijenos signala. Temeljni frekvencijski pojas (baseband) je onaj kojim se obavlja prijenos izvornog signala bez modulacije. Digitalni signali se ubacuju na medij pomoću Manchester ili diferencijalnog Manchester koda, a cijeli se frekvencijski spektar medija koristi za prijenos signala. Prijenos je dvosmjerni. Kao medij koristi se koaksijalni kabel (50 W ) ili simetrična parica (neoklopljena (UTP) ili oklopljena (STP)). UTP susreće se u tri kategorije prema standardu EIA-568-A:

  1. kategorija 3 brzine do 16 MHz

  2. kategorija 4 brzine do 20 MHz

  3. kategorija 5 brzine do 100 MHz

Najčešće su kategorije 3 (obična telefonska parica) dok se nove instalacije i preinstalacije uglavnom rade sa kategorijom 5.

STP ima bolja svojstva na nižim brzinama (zaštićena je od elektromagnetskih utjecaja), ali je skuplja i neprikladna za instaliranje.

Prema standardu EIA-568-A definirano je STP 150W i UTP 100W za kabel, konektore, itd.

Za širinu kanala veču od 4 kHz upotrebljava se širokopojasni sustav (broadband) gdje se obavlja analogni prijenos informacija upotrebom modema. Moguće je koristiti više kanala a koristi se CATV koaksijalni kabel (75 W ).

 

1.2. Topologije lokalnih mreža

Treba istaknuti razliku između

Logička topologija pokazuje logiku povezanosti između krajnjih stanica. Najčešće korištene kod LAN-ova su sabirnica i prsten. Tipični primjer sabirničkih mreža je Ethernet a prstenastih Token Ring i FDDI.

Fizička topologija pokazuje kako je fizički izvedena pojedina lokalna mreža. Govorimo o kabliranju ili ožičenju lokalne mreže. Može se izgraditi na više načina: Kao zvijezda, stablo ili mreža večeg stupnja povezanosti (mesh), kada je između čvorova više putova.

 

1.3. Pristupni protokoli

To je protokol odnosno skupina pravila koja određuju redoslijed pristupa stanica korištenju zajednočkog medija (komunikacijskog kanala). Protokol mora biti jednostavan, racionalan i ravnopravan. U slučaju greške mora se sam znati “riješiti”. Može se odrediti prioritetni pristup ali ni jedna stanica ne može zauzeti cijeli prijenosni kapacitet. Pristup je upravljan u MAC (Medium Access Control) podsloju. Postoji centralizirana i decentralizirana kontrola pristupa mediju. Kod centralizirane stanica može pristupiti mediju tek nakon što primi odobrenje iz centra dok kod decentraliziranog sve stanice kolektivno obavljaju kontrole funkcije pristupa. Kod lokalnih mreža dominantan je decentralizirani način. Postoji još podjela kontrole pristupa na sinkroni i asinkroni način. Kod sinkronog postupka određeni kapacitet se određuje pojedinoj vezi što nije optimalno, jer je za pojedinu stanicu teško predvidjeti potrebni kapacitet. Asinkroni način dijelimo na ciklički, slučajni i rezervacijski.

Ciklički pristup služi za veliki broj stanica. Svaka stanica u cikličkom redoslijedu dobiva odobrenje za predaju paketa na medij. Ako nema ništa za slanje može naravno odustati, ali kad istekne vrijeme, mora medij prepustiti slijedećoj stanici. Primjeri su “Polling” kod terminalskih mreža (sa centraliziranim upravljanjem) te Token Bus i Token Ring (decentralizirano upravljanje).

Kod slučajnog pristupa sve stanice mogu slučajno pristupiti mediju bez posredstva nekakvog centra u međusobnom natjecanju. Ova vrsta pristupa je jednostavna i učinkovita kod malog i srednjeg prometa. Kod velikog prometa može doči do prometnog kolapsa. Tipični protokol te vrste je IEEE 802.3 CSMA/CD ili Ethernet.

Rezervacijski pristup mediju (centralizirani ili decentralizirani) prikladan je za kontinuirani promet. Vrijeme na mediju podijeljeno je na odsječke i stanica koja želi na medij rezervira slijedeći odsječak, praktički na neograničeno vrijeme. Često se koristi kod paketskih radio i satelitskih komunikacija.

 

1.4. Zajednički prijenosni medij

Obzitom na medij lokalne mreže dijelimo na Žične i bežične.

Glavne vrste žičanih medija su bakreni i optički. U sporim lokalnim mrežama koristi se isključivo bakreni koji prema standardima mora zadovoljavati električka svojstva (impedancija, udaljenost stanica…) Na primjer za upredenu neoklopljenu paricu največa udaljenost može biti:

Bežični mediji su vrlo brzi, kod preoblikovanja mreže ne treba obnavljati kabliranja, radne stanice su pokretne i lako se je priključiti na brzu osnovnu mrežu. Dijele se u dvije skupine:

 

 

1.5. Brzina prijenosa po zajedničkom mediju

Brzina im je obično 10-20 Mbit/s. Tipični predstavnici su Ethernet, IEEE 802.3 CSMA/CD brzine do 10 Mbit/s, IEEE 802.4 Token Bus i IEEE 802.5 Token Ring brzine 4 i 16 Mbit/s

Brzina im je između 50 i 100 Mbit/s. Prijenosni medij je optičko vlakno. Predstavnici su npr. Fast Ethernet i FDDI.

Brzine su im reda gigabita u sekundi. Primjeri su UltraNet i CP (Crossbar Processor). Ograničeni su na malo geografsko područje i uobičajeno imaju bakar kao medij.

Brzina reda terabita u sekundi. Razvijene su eksperimentalne mreže sa optičkim vlaknom kao prijenosnim medijem.

 

2. PERFORMANSE LOKALNI MREŽA

Najčešće korištene mjere LAN mreža su kašnjenje (vrijeme od slanja paketa do primanja), propusnost (brzina prijenosa podataka između čvorova) i iskoristivost medija(dio ukupnog korištenog kapaciteta).

Najvažniji čimbenici koji utječu na performanse LAN mreža su

3. LAN PROTOKOLI

 

3.1. IEEE 802.3 CSMA/CD, Ethernet

Prethodnik ovog protokola je protokol razvijen za paketske radio mreže ALOHA, gdje stanica pošalje paket, sluša potvrdu i ako nema potvrde ponovno šalje paket. Mala je iskoristivost medija (svega 18 %). Postoji poboljšani ALOHA protokol gdje je vrijeme na kanalu podijeljeno na odsječke jednake trajanju vremena odašiljanja paketa, stanice su sinkronizirane čime se je povečala iskoristivost na 37 %.

Ni jedan od protokola ne koristi osnovnu prednost lokalnih mreža: propagacijsko kašnjenje između stanica je vrlo malo u usporedbi s trajanjem odašiljanja paketa te zbog toga ne dolazi do čestih sudara jer nakon početka odašiljanja paketa ostale stanice to mogu “ćuti” i odustaju od odašiljanja svojih paketa osim ako dvije stanice baš pošalju pakete istovremeno, što se rijetko događa. Tako se je razvio protokol CSMA (Carrier Sense Multiple Access) koji u biti radi prema pravilu “slušaj pa onda govori”. Što su dulji paketi i manje propagacijsko kašnjenje, veća je iskoristivost protokola CSMA.

Iako je mnogo učinkovitiji od ALOHA protokola, to još nije dovoljno. Sudarom dva paketa medij ostaje neiskorišten čime se smanjuje propusnost medija. To se poboljša pravilom “slušaj dok govoriš”: nakon što stanica otkrije sudar, o tome obaviještava ostale stanice i čeka slučajni vremenski odsječak te opet proba odaslati paket. Takvi su protokoli Ethernet i IEEE 802.3 CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection).

 

3.2. IEEE 802.4 Token Bus

Kod ovog protokola svaka stanica točno zna koja je ispred a koja iza nje u logičkom prstenu. Fizički one mogu biti spojene bilo kako odnosno bilo gdje. Svaka stanica dobiva pravo pristupa mediju pomoću kontrolnog paketa (“token”) koji sadrži adresu odredišne stanice. Vrijeme pristupa je fiksno određeno za svaku stanicu a minimalna duljina je vrijeme transmisije kontrolnog paketa do slijedeće stanice u logičkoj sekvenciji.

Time je postignuta visoka propusnost koja se ne smanjuje s povečanjem duljine medija, kontroliran je pristup mediju i unaprijed je poznato vrijeme čekanja ali je protokol složen i postoji dodatna kontrola informacija koja se ubacuje u mrežu.

 

3.3. IEEE 802.5 Token Ring

Protokol koristi kontrolni paket koji za vrijeme nezauzetosti stanica kruži duž prstena. On odobrava pristup mediju. Stanica koja želi slati paket mora čekati sve dok ne detektira prolaz kontrolnog paketa te onda prilijepi svoje podatke na njega (pretvara ga u novi kontrolni paket promjenom jednog bita, što znači da ona kopira svoj paket bit po bit te tako šalje cijeli paket). Sada je on zauzet i ostale stanice moraju čekati dok okvir sa podatkom kruži po prstenu dok ne nalazi odredišnu stanicu kojoj preda podatak. Tada ta stanica kopira podatak te ubaci novi kontrolni znak ako je :

Protokol je vrlo učinkovit kod velikih prometnih opterećenja.

Na temelju Token Ringa razvio se npr. FDDI (Fiber Distributed Data Interface). Sasatoji se od dvostrukog optičkog prstena (primarni i sekundarni) i multitoken protokola, a radi na brzini 100 Mbit/s uz najveću udaljenost 200 km. Zbog dvostrukog prstena otporan je na kvarove.

 

4. Ograničenja lokalnih mreža

Bakrene nekomutirane veze lokalnih mreža su topološki vrlo jednostavne i nefleksibilne i teško ili nemoguće je ostvariti istovremeno obavljanje više koimunikacije kroz zajednički medij (višekanalne veze). Bolji način je povezivanje sa optićkim kabelom s kojim je moguće distribuirati optićki signal do nekoliko tisuća stanica na velikom geografskom području. Istraživanja su usmjerena na područje optičkog vlakna te tako postoji danas najsloženija konfiguracija MSN (Manhatan Street Network) organizirana kao kvadratična mreža.

 

5. Povezivanje lokalnih mreža

5.1. Most (Bridge)

Most povezuje LAN-ove iste vrste tako da osigurava povezivanje preko LLC i MAC podsloja i neovisan je o protokolu. Most čita sve prolazeće pakete a interpretira samo izvorišne i odredišne adrese pojedinog paketa. Zapravo most filtrira pakete tako da onemogući isporuku okvira koji ima odredišnu adresu u izvornom LAN-u. Tu su dakle dva LAN-a povezani na razini okvira. Na isti naćin su povezani preko prijenosnika (repeater) ali tu svakim LAN-om prolazi i promet drugog te je tako smanjena učinkovitost i smanjenje sigurnosti. Most djeluje velikim brzinama zbog nepotrebe obrade protokola i tipična brzina mu je 25000 paketa/s.

5.2. Usmjeritelj (Router)

Ako na primjer dva povezana LAN-a imaju različite formate paketa, most nije u stanju riješiti tu nekompatibilnost. Ako imaju zajednički sloj mrežnog protokola, onda usmjeritelj primi pakete od jednog LAN-a, procesira ih sve do trećeg sloja i onda ih prosljeđuje dalje do drugog LAN-a. Usmjeritelj radi mnogo sporije od mosta i ovisan je o protokolu.

5.3. Spojni pristup (Gateway)

Ako mreže dijeluju s potpuno različitim protokoima onda ni most ni usmjeritelj ne mogu biti upotrijebljeni. Spojni pristup implementira cijeli protokolni složaj za svaku mrežu. Očito je da je to najlošiji pristup ali nekad je samo s njim moguća povezanost LAN-ova.

 

6. Uporaba mostova i usmjeritelja kod povezivanja lokalnih mrežaa

LAN-ove koji su na istoj fizičkoj lokaciji povezuje lokalni most. Paketi se primaju i prosljeđuju ovisno od rezultata usporedbe odredišne adrese u svakom paketu sa sadržajem filtarskog spremnika podataka. Most održava bazu podataka samoučenjem prisutnih adresa stanica u svakom LAN-u. Uključen je mehanizam starenja da bi se uklonila adresa koja je neaktivna neko vrijeme (jer se npr. isključila ili preselila na neko drugo mjesto u mreži). Upotrebljavaju se zaštitni biti (CRC) koji se izvlače iz pridošlog paketa te se ponovo koriste kada se paket odašilje na izlazni LAN čime se osigurava integritet podataka s kraja na kraj.

Za povezivanje LAN-ova na različitim lokacijama upotrebljava se udaljeni most. Efektivno postoji pola mosta na svakoj lokaciji a obje polovice povezane su mehanizmom za prijenos podataka (optičko vlakno, satelit, itd.).

Kako usmjeritelj djeluje na trećem sloju ima mogućnost kontrole prometa i usmjeravanja preko tablica usmjeravanja te tako određuje optimalne puteve kroz mrežu. Tako se ravnomjerno opterećuje mreža. Dijelimo ih na statičke i dinamičke. Statički koriste unaprijed određene staze dok dinamički određuju staze na temelju povijesti mrežnog prometa i ponašanja mreže.

Kombinacijoa most/usmjeritelj ima dobra filterska svojstva mosta i svojstva inteligentnog usmjeravanja usmjeritelja. Ta se svojstva mogu kontrolirati iz centra za upravljanje, ovisno od situacije u mreži (lvarovi, prometno opterećenje, itd.), koji ih može selektivno aktivirati kad je to nužno.