Питання для контролю вивченого матеріалу:

1.Назвіть основні характеристики ліній зв'язку.

2.Яким чином виконується спектральний аналіз сигналів ліній зв'язку.

3.Охарактеризуйте поняття загасання сигналу.

4.Що являє собою стійкість до перешкод?

Література:

Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы/В. Г. Олифер, Н. А. Олифер: Учебник для вузов. 4-е изд. — СПб.: Питер, 2011., стор. 233-246

Урок № 12

(згідно робочої навчальної програми)

Огляд мережевих стандартів для побудови комп'ютерних мереж

Питання для вивчення:

1.Огляд групи стандартів IEEE 802.3

2.Огляд стандартів групи IEEE 802.11

3.Огляд стандарту IEEE 802.16

4.Огляд специфікацій Bluetooth

Для спрощення та здешевшення апаратних та програмних рішень розробники перших локальних мереж зупинилися на сумісному використанні кабелів усіма комп'ютерами мережі в режимі поділу часу. Використання середовищ, що діляться (shared media) дозволяє спростити логіку роботи мережі і здешевити її. Протоколи, на основі яких будується мережа певної технології, спеціально розроблялися для спільної роботи, тому не потрібно додаткових зусиль по організації їх взаємодії. Іноді технології локальних мереж називають базовими технологіями, маючи на увазі те, що на їх основі будується базис будьякої мережі. Для підключення працездатної мережі достатньо придбати

програмні і апаратні засоби, що відносяться до однієї базової технології - мережеві адаптери з драйверами, концентратори, комутатори, кабельну систему і т. п., - і поєднати їх відповідно до вимог стандарту на дану технологію.

Огляд групи стандартів IEEE 802.3. Розробкою стандартів і правил функціонування локальних мереж стандарту Ethernet з фізичним середовищем передачі даних у вигляді коаксіального, оптоволоконного кабелю та кабелю «вита пара» займається комітет 802.3. За час свого існування на світ з'явилося досить багато стандартів. Найбільш відомими серед них є стандарти 10Base-5, 10Base-2, 10Base-T, 100Base-TX, 1000Base-X. Дані стандарти описують принцип функціонування мережі із застосуванням мережевої топології «шина» і коаксіального кабелю в якості середовища передачі даних.

Стандарт 10Base-5 був прийнятий на початку 80-х років минулого століття. Він описував функціонування локальних мереж і пристроїв, які для передачі даних використовували коаксіальний кабель, точніше, його товстий варіант, тобто кабель товщиною приблизно 1 см. У зв'язку з цим даний стандарт отримав назву товстий Ethernet.

Через кілька років комітет 802.3 розробив ще один мережевий стандарт - 10Base-2, який також використовував коаксіальний кабель, але його тонкий варіант. Він отримав назву тонкий Ethernet. Так як в якості середовища передачі даних використовувався тонкий коаксіальний кабель, створення мережі стало легшим, оскільки товщина кабелю дозволяла вибрати оптимальний маршрут його прокладення.

Однак, стандарти 10Base-5 і 10Base-2 не мають перспектив, оскільки швидкість передачі даних 10 Мбіт/с на сьогодні занадто мала для забезпечення потреб мережі. Зменшення швидкості передачі даних при значному збільшенні кількості робочих станцій зводило нанівець головну перевагу подібних мереж - малі витрати на їх створення. Крім того, зіграла свою роль низька надійність мережі в плані забезпечення її фізичної цілісності. З цих причин комітет 802.3 почав роботу над створенням нового стандарту, що використовує сучасні технології. У результаті в 1990 році з'явився 10Base-T, який став першим

стандартом, що використовує мережеву топологію «зірка» і новий фізичний носій - неекранований кабель «вита пара» з двома парами провідників.

Використання топології «зірка» зробило локальні мережі більш гнучкими і здатними до розширення, а також підвищило їх безпеку і відмовостійкість. Стандарт 10Base-T має на увазі виконання наступних вимог:

–для передачі даних використовується кабель «вита пара» з двома парами неекранованних провідників. При цьому одна пара провідників застосовується для передачі даних, а друга - для їх прийому;

–довжина кабелю «вита пара» не повинна перевищувати 100 м;

–для збільшення діаметра мережі може застосовуватися не більше 4 повторювачів;

–всі робочі станції підключаються до центрального керуючого

пристрою;

–максимальна кількість підключень — 1024.

Використання даного стандарту дозволяє досягти швидкості передачі даних 10 Мбіт/с. Головною особливістю локальних мереж із застосуванням топології «зірка» є те, що швидкість передачі даних не залежить від кількості підключених учасників.

Для підвищення ефективності роботи локальних мереж на початку 90-х років минулого століття комітет 802.3 розробив ще один мережевий стандарт - 10Base-F. Даний стандарт також має на увазі використання мережевої топології «зірка». Однак, він має одну дуже значну відмінність від 10Base-T: як середовище передачі даних використовується оптоволоконний кабель. Незважаючи на те, що швидкість передачі даних залишилася колишньою (10 Мбіт/с), збільшилась максимальна довжина мережі. Крім того, враховуючи перешкодозахищеність такого кабелю, локальну мережу можна створити навіть в умовах агресивного фізичного середовища.

Стандарт 10Base-F має на увазі виконання наступних умов:

– для передачі даних використовується оптоволоконний кабель як одномодовий, так і багатомодовий;

–довжина сегмента багатомодового кабелю не повинна перевищувати 1000 м, а одномодового - 5000 м;

–для збільшення діаметра мережі може використовуватися не більше 4 повторювачів;

–всі робочі станції підключаються до центрального керуючого пристрою в якості якого можуть використовуватися концентратор, і т. д.;

–максимальна кількість підключень - 1024.

Подібні показники можливої довжини сегментів доступні завдяки принципам передачі сигналу і малому рівню його загасання в оптичному волокні. Дані властивості часто використовують для того, щоб збільшити максимальний радіус мережі з іншими топологіями та стандартами.

Але, сучасні вимоги щодо швидкості передачі даних змушували комітет зі стандартизації функціонування локальних мереж створювати стандарти, які б задовольняли ці запити. Одним з таких стандартів, який отримав дуже широке поширення, став 100Base-TX, прийнятий в 1995 році. Саме він є першим серед стандартів, які отримали загальну назву Fast Ethernet.

Даний стандарт використовується в мережах, побудованих на топології «зірка» і в якості фізичного середовища використовують кабель «вита пара» UTP не нижче п'ятої категорії. Це дозволяє обладнанню працювати як в напівдуплексному (напівдуплексний режим роботи мережі — це режим роботи мережі коли вузол мережі не може одночасно передавати та приймати інформацію), так і в дуплексному режимах. При цьому дуплексний режим забезпечує максимально можливу для стандарту швидкість передачі даних в 100 Мбіт/с.

Стандарт 100Base-TX вимагає виконання наступних умов:

–для передачі даних використовується кабель «вита пара» п'ятої

категорії;

–довжина кабелю «вита пара» для підключення робочої станції не повинна перевищувати 100 м;

–для збільшення діаметра мережі може застосовуватися не більше 2

повторювачів, при цьому, максимальний радіус мережі становить 205 м;

–довжина кабелю між повторювачами не повинна перевищувати 5 м;

–всі робочі станції під'єднуються до центрального керуючого пристрою, в якості якого можуть бути використані комутатор, концентратор та ін.;

–максимальна кількість підключень – 1024.

Великий вплив на розповсюдження стандарту 100Base-TX здійснила стандартизація материнських плат (ATX), яка зробила присутність мережевого адаптера на материнській платі обов'язковим.

Стандарт 100Base-T4 відноситься до серії 100-мегабітних. Він має на увазі використання топології «зірка» та кабелю “вита пара” (UTP). Однак, на відміну від 100BaseTX, даний стандарт дозволяє в якості середавища передачі даних використовувати кабель нижче п'ятої категорії. Даний факт є найбільшим плюсом цього стандарту.

Серед умов, які повинні виконуватися для застосування стандарту 100Base-T4 та відмінні від попереднього стандарту, можна відмітити такі, що для передачі даних використовується кабель «вита пара» 3, 4 и 5 категорій, а також для збільшення діаметра мережі дозволено використання не більше двох повторювачів. Максимальний радіус мережі становить 205 м., максимальна кількість сегментів — 3, довжина кабеля між повторювачами не повинна перевищувати 5 м. Всі інші умови такі самі як і у попереднього стандарту.

Головним мінусом 100Base-T4 є робота в напівдуплексному режимі. Стандарт 100Base-FX, який був прийнятий в середині 90-х років минулого

сторіччя, став логічним продовженням стандартів 100Base. Він застосовується в мережах з топологією «зірка», при цьому, в якості середовища передачі даних, використовується багатомодовий волоконно-оптичний кабель.

Завдяки властивостям оптоволоконного кабелю довжина сегмента обмежена лише рівнем загасання сигналу в кабелі і потужністю використовуваних передавачів, що дозволило домогтися швидкості передачі даних 100 Мбіт/с на досить великих відстанях. Стандарт 100Base-FX передбачає

дотримання наступних правил функціонування мережі:

–для передачі даних використовується багатомодовий оптоволоконний

кабель;

–максимальна відстань між комутатором і робочою станцією або між двома комутаторами не повинно перевищувати 412 м в напівдуплексному режимі та 2000 м в дуплексному режимі;

–всі робочі станції підключаються до центрального керуючого пристрою, в якості якого можуть виступати концентратор, комутатор і т. д.;

–максимальна кількість підключень - 1024.

Особливістю стандарту 100Base-FX є можливість використання дуже довгих сегментів кабелю.

Поява стандартів, що підтримують швидкість передачі даних не менше 1 Гбіт, була лише справою часу. Сталося це в 1998 році, коли комітет прийняв стандарт 1000Base-X, який об'єднав в собі відразу 4 гігабітних стандарти: 1000Base-LX, 1000Base-CX, 1000Base-LH і 1000Base-LX.

При використанні даних стандартів з кабелем «вита пара» виникають проблеми, що пов'язані з надто сильними наведеннями між сусідніми парами провідників, що не дозволяє передавати дані на великій швидкості, обмежуючись тільки чотирма парами провідників.

Всі ці стандарти, окрім 1000Base-CX, мають на увазі також використання оптоволоконного кабелю в якості середовища передачі даних. При цьому, залежно від стандарту, максимальна довжина сегмента становить від 500 м (1000Base-SX, багатомодовий кабель) до 10 000 м (1000Base-LH, одномодовий кабель).

1000Base-T - повноцінний гігабітний стандарт, який використовується в мережах, що побудовані із застосуванням топології «зірка» і кабелю «вита пара» вище п'ятого категорії. Оскільки саме ця топологія і середовище передачі даних набули найбільшого розповсюдження, не дивний той факт, що 1000BaseT приходить на зміну інтегрованому на материнській платі мережевому контролеру стандарту 100Base-TX. При передачі даних використовуються всі чотири пари

провідників, при цьому, передача даних ведеться на більш високій частоті. Це дає певний запас у величині рівня сигналу, що використовується для корекції виникаючих помилок.

Стандарт 1000Base-T вимагає виконання наступних умов:

–для передачі даних використовується неекранований кабель «вита пара» 5, 6 і 7 категорій;

–довжина кабелю «вита пара», не повинна перевищувати 100 м;

–для збільшення діаметра мережі може використовуватися не більше 2 повторювачів, при цьому, максимальний радіус мережі становить 205 м;

–всі робочі станції підключаються до центрального керуючого

пристрою;

–максимальна кількість підключень — 1024.

Огляд стандартів групи IEEE802.11. Розробкою правил функціонування мереж стандарту Ethernet з бездротовим середовищем передачі даних WLAN (Working Group for Wireless Local Area Networks, робоча група по бездротовим локальним мережам), що використовують частоти 2,4 і 5 ГГц, займається підкомітет 802.11.

Стандарт IEEE 802.11, розробка якого була розпочата в 1990 році, є першим бездротовим стандартом, який можна було використовувати для створення локальної мережі. Перед комітетом ставилося завдання розробити стандарт, який дозволив би домогтися стійкої роботи бездротової мережі. При цьому, необхідно було досягти стандартної швидкості передачі даних 1 Мбіт/с і опціональної швидкості передачі даних 2 Мбіт/с.

Стандарт IEEE 802.11 описує функціонування бездротової мережі в діапазоні частот 2400-2483,5 МГц, а також в інфрачервоному діапазоні частот. При цьому для обробки сигналів використовуються методи DSSS і FHSS, які мають різний принцип роботи, що робить їх несумісними між собою.

Розглянутий стандарт передбачає виконання наступних положень:

– для роботи в локальній мережі використовується обладнання, яке працює в діапазоні радіочастот 2400-2483,5 Мгц;

–радіус мережі не перевищує 300 м;

–стандартна швидкість передачі даних - 1 Мбіт/с, опціональна — 2

Мбіт/с;

–використовується метод прямої послідовності DSSS з технологією модуляції сигналу PSK або метод частотних стрибків FHSS з технологією модуляції FSK.

При використанні стандарту IEEE 802.11 теоретичний радіус мережі становить 300 м. На практиці ж він рідко перевищує 50-100 м, що обумовлено наявністю перешкод для поширення сигналу. Цього радіусу цілком достатньо для організації роботи локальної мережі в невеликому офісі, однак, швидкість передачі даних виявляється занадто низькою. Даний факт і вартість обладнання і стали причиною того, що цей стандарт не знайшов широкого застосування.

Зі стандарту IEEE 802.11b почалося широке поширення бездротових мереж. Саме цей стандарт став причиною появи Wi-Fi (Wireless Fidelity, безпровідна точність). Проаналізувавши всі помилки і недоліки стандарту IEEE 802.11, а також взявши до уваги нові вимоги, комітет в 1999 році розробив стандарт IEEE 802.11b.

Стандарт передбачає наступні правила:

–для роботи в локальній мережі використовується обладнання, яке функціонує в діапазоні радіочастот 2400-2483,5 Мгц;

–радіус мережі не перевищує 300 м;

–стандартна швидкість передачі даних - 1 і 5,5 Мбіт/с, опціональна - 2

і11 Мбіт/с;

–для роботи з сигналом застосовується метод прямої послідовності DSSS з восьмиразрядними послідовностями Уолша і CCK;

–як протокол безпеки використовується протокол WEP;

–для доступу до передаючого середовища застосовується метод

CSMA/CA.

Для шифрування даних застосовується послідовність додаткових

комплементарних кодів. Це дозволяє домогтися більшої стійкості коду за рахунок його надмірності.

З плюсів IEEE 802.11b можна відзначити те, що обладнання цього стандарту має найбільшу чутливість. З цієї причини якість зв'язку із застосуванням такого обладнання набагато вище, ніж при використанні обладнання з більш новими стандартами. Крім того, деякі виробники пропонують обладнання, яке може працювати на швидкості 22 Мбіт/с (IEEE 802.11b+) за умови застосування обладнання від одного виробника.

Мінусом стандарту є те, що швидкість передачі даних може падати аж до найнижчої, що залежить від кількості перешкод між передавачем і приймачем. Крім того, обладнання стандарту IEEE 802.11b використовує WEP-шифрування, безпека якого дуже низька.

Звичайно, було б логічно, якби стандарт IEEE 802.11a з'явився раніше, ніж IEEE 802.11b, але незважаючи на те що робота над цими стандартами велася паралельно, стандарт IEEE 802.11a був прийнятий пізніше, в 2001 році.

При розробці даного стандарту комітет пішов іншим шляхом, вирішивши використовувати в якості діапазону частот відразу три смуги: 5,15-5,25 МГц, 5,25- 5,35 МГц, 5,725-5,825 МГц. Це дозволяє домогтися більшої пропускної здатності, а також використовувати більш вільний діапазон частот. При цьому, застосовуються нові методи обробки сигналу, а також нові, більш удосконалені алгоритми шифрування. Стандарт передбачає наступні правила:

–для роботи в локальній мережі використовується обладнання, яке функціонує в діапазоні радіочастот 5,15-5,25 МГц, 5,25-5,35 МГц і 5,725-5,825 Мгц;

–радіус мережі не перевищує 100 м;

–стандартна швидкість передачі даних - 1, 6, 12 і 24 Мбіт/с, опціональна - 2, 9, 18, 36, 48 і 54 Мбіт/с;

–застосовується метод ортогонального частотного мультиплексування

OFDM.

Головною перевагою цього стандарту є висока швидкість передачі даних,

проте це практично єдиний його плюс. Мінусів набагато більше, і основні з них полягають у малому радіусі мережі, несумісності IEEE802.11a з існуючими стандартами, а також в тому, що практично в усіх країнах потрібна наявність відповідного дозволу та навіть ліцензії на використання обладнання для роботи з вказаними діапазонами частот. Ці недоліки призвели до того, що стандарт IEEE 802.11a не отримав великого розповсюдження.

На початку 2000 року багато хто очікував появи стандарту IEEE 802.11g, оскільки найбільш поширений на той час стандарт IEEE 802.11b вже не задовольняв своїми можливостями як у плані швидкості, так і в плані безпеки. І це стримувало поширення бездротових мереж. Обладнання стандарту IEEE 802.11g, як це зазвичай буває, з'явилося на ринку набагато раніше, ніж був прийнятий сам стандарт (він був прийнятий у 2003 році). І треба сказати, що очікування повністю виправдалося: новий стандарт вийшов дуже функціональним, а головне, мав новий рівень безпеки. Крім того, сумісність IEEE802.11g зі стандартом IEEE802.11b дозволила використовувати обладнання стандарту IEEE 802.11b в мережах IEEE 802.11g.

Основні правила та угоди, описані в стандарті IEEE 802.11g:

–для роботи в локальній мережі використовується обладнання, яке функціонує в діапазоні частот 2400-2483,5 Мгц;

–радіус мережі не перевищує 300 м;

–стандартна швидкість передачі даних - 1, 5,5, 11, 24, 33 і 48 Мбіт/с;

–для роботи з сигналом застосовується вдосконалений метод прямої послідовності CCK-DSSS і метод двійкового пакетного кодування PBCC;

–в якості протоколів безпеки і аутентифікації використовуються WPА, WPA2, AES, TKIP та ін;

–для доступу до середовища передачі даних застосовується метод

CSMA/CA;

–максимальна кількість підключень — 2048.

Підтримка цього вдалого стандарту відразу ж була реалізована в ноутбуках і переносних пристроях, що також підвищило його популярність.

В 2006 році на ринку стали з'являтися несертифіковані пристрої ще не ухваленого стандарту IEEE 802.11n. Такий стан речей тривав майже рік, і в 2009 році нарешті був прийнятий стандарт IEEE 802.11n, який почав нову еру в розвитку бездротових мереж. Використання обладнання даного стандарту дозволяє досягати значних швидкостей передачі даних, аж до 300 Мбіт/с. Така швидкість передачі даних стала можливою завдяки раціональнішому використанню смуг радіочастот, а також застосуванню більш якісних аналогових чіпів обробки сигналів з роздільним приймальним і передавальним трактами.

Стандарт IEEE 802.11n передбачає наступні правила:

–бездротове обладнання працює в діапазонах частот 2,4 і 5 Ггц;

–радіус мережі не перевищує 450 м;

–швидкість передачі даних залежить від режиму використання устаткування і складає від 54 Мбіт/с до 300 Мбіт/с;

–для обробки сигналу застосовується вдосконалений метод ортогонального частотного мультиплексування OFDM і технологія багатоканальних антенних систем MIMO.

Огляд стандарту IEEE 802.16. WMAN (Wireless Metropolitan Area Networks)

-бездротові мережі масштабу міста. Надають широкосмуговий доступ до мережі через радіоканал.

WiMAX (англ. Worldwide Interoperability for Microwave Access) - телекомунікаційна технологія, розроблена з метою надання універсального бездротового зв'язку на великих відстанях для широкого спектру пристроїв (від робочих станцій і портативних комп'ютерів до мобільних телефонів). Заснована на стандарті IEEE 802.16, який також називають Wireless MAN (WiMAX слід вважати жаргонним назвою, так як це не технологія, а назва форуму, на якому Wireless MAN і був узгоджений).

Історія стандарту IEEE 802.16 ведеться з 2001 року, коли була розпочата активна робота по створенню нового бездротового стандарту широкосмугового зв'язку. У грудні 2001 року була прийнята перша версія стандарту IEEE 802.162001, який спочатку передбачав робочу смугу частоти 10-66 Ггц. Даний стандарт

описував організацію широкосмугового бездротового зв'язку з топологією «крапка-три крапки» і був орієнтований на створення стаціонарних бездротових мереж масштабу мегаполісу (Metropolitan Area Network, MAN). Саме тому даний стандарт отримав також назву Wireless MAN. На фізичному рівні стандарт IEEE 802.16-2001 передбачав використання всього однієї несучої частоти (SingleCarrier, SC), внаслідок чого в назву протоколу додали літери SC, тобто WirelessMAN-SC.

Організація зв'язку в частотному діапазоні 10-66 ГГц можлива тільки в зоні прямої видимості між передавачем і приймачем сигналу через швидке загасання коротких довжин хвиль. Це було однією з особливостей протоколу WirelessMANSC. Однак частотний діапазон з такими характеристиками дозволяв уникнути однієї з головних проблем радіозв'язку - багатопроменевого поширення сигналу. Ширина каналів зв'язку, які можуть бути застосовані в цьому частотному діапазоні, є досить великою, що дозволяє досягати високої швидкості передачі даних.

Необхідність побудови бездротової мережі тільки в зоні прямої видимості призвела до того, що пристрої стандарту 802.16 так і не отримали широкого розповсюдження. Тому дещо пізніше, в січні 2003 року, було прийнято розширення стандарту 802.16, що отримало найменування 802.16a-2003. Воно передбачало використання частотного діапазону від 2 до 11 ГГц. Цей стандарт також був орієнтований на створення стаціонарних бездротових мереж масштабу мегаполісу. Передбачалося, що даний стандарт стане альтернативою традиційним рішенням широкосмугового доступу для останньої милі - кабельних модемів, xDSL і каналам Т1/Е1. Крім того, мережі стандарту 802.16a планувалося застосовувати в якості додаткової технології для під'єднання точок доступу стандарту 802.11b/g/a до Інтернету. Основною відмінністю стандарту 802.16a від базового стандарту 802.16 було використання іншого частотного діапазону, який не вимагає прямої видимості між приймачем і передавачем. Зона покриття таких бездротових мереж значно ширше, ніж мереж стандарту 802.16.

Логічним продовженням стандарту 802.16a став стандарт 802.16d, який