Introduction To Lacal Area Networks

An introduction to local area networks Introduction: the 5 pillars upon which the electrical power distribution systems automation is built are:  computer programming, computer aided design & drafting (CADD) including drawing digitization,  system control & data acquisition (SCADA) systems, local networks including LAN & WAN,  geographic information systems (GIS) including global positioning system (GPS) software. In this  article an introduction to LAN will be presented. Local networks are communication networks that  provide interconnection of a variety of data communicating devices within a small area. A local  network is a communication network, it is a facility for moving bits of data from one attached device to  another. Data communicating devices are any devices that communicate over a transmission medium  like: computers, terminals, peripheral devices, sensors, telephones, input/output modules of PLCs &  RTUs. Not all types of local networks are capable of handling all the aforementioned devices. The  geographic scope of a local network is small, confined to a single building, span several buildings in  other words a local network is installed in a maximum of a few tens of kilometers radius. In general, a  single organization will own the network and the attached devices. Typical characteristics of a local  network are: high data rates (.1 to 100 Mbps), short distances (.1 to 25 km) and low error rate (10­8 to  10­11 ). The data rate and distance differentiate local networks from multiprocessor systems, and long  haul networks (WAN). Local networks can further be classified into high speed local networks, local  area networks and private branch exchanges (PBX).  Introduction to data communication:  Analog & Digital communication:  Analog and digital correspond to continuous and discrete. The common three contexts that these terms  are used in are: data, signaling & transmission. Data are entities that convey meaning.  Information is  the interpretation of those data. Signals are electric or electromagnetic encoding of data. Signaling is  the act of propagating the signal along some suitable medium. Transmission is the communication of  data by the propagation & processing of signals. Analog data take on continuous values on some  interval, voice and video are examples of continuously varying patterns of intensity. Another example is  data collected by sensors/transducers like temperature & pressure (continuous valued) or current &  voltage. Digital data take on discrete values like integers, relays  & switches contacts. Analog signal is  continuously varying electromagnetic wave that may be transmitted over a variety of media (function of  frequency): wire (twisted pair or coaxial), fiber optic cable, space propagation (radio frequency,  microwave, infrared & laser) and satellite communication. A digital signal is a sequence of voltage  pulses that may be transmitted over a wire medium. Digital signaling is less susceptible to noise  interference and is cheaper. The principal draw back is that digital signals suffer more in attenuation  than analog signals. Attenuation can lead to loss of information contained in the propagated signal.  Analog data are a function of time and occupy a limited frequency spectrum. Voice data have frequency  components in the range 20 Hz to 20 KHz. Most of the speech energy is in a much narrower range  (spectrum of voice signals is 300 to 3400 Hz). Digital data can also be represented by analog signals  through the use of modem. The modem converts a series of binary (two valued) voltage pulses into an  analog signal (by modulating a carrier frequency). Modems represent digital data in the voice spectrum 

to allow the propagation over ordinary voice grade telephone lines. At the other end of the line a  modem demodulates the signal to recover the original data.  On the other hand analog data can be  represented by digital signals. The device that performs this function is known as a codec. It takes an  analog signal that directly represents the voice data and approximates that signal by a bit stream. At the  other end of the line, the bit stream is used to reconstruct the analog data. Analog transmission is a  means of transmitting analog signals without regard to their content: the signals may represent analog  data (voice) or digital data (data that pass through a modem). The analog transmission system includes  amplifiers (for longer distances) that boost the energy in the signal. Amplifiers boost the noise  component. For analog data (eg. voice), a bit of distortion can be tolerated. For digital data cascaded  amplifiers will introduce errors. Digital transmission is concerned with the content of the signal.  Digital signal can be transmitted on only a limited distance before attenuation endanger the integrity of  the data. Repeaters are used to alleviate this problem, they receive the digital signal and after recovering  the pattern 1 and 0, retransmit a new signal. The same technique may be used with analog signals and  digital data. The transmission system has at appropriate spaced points retransmission devices rather  than amplifiers. Noise is non­cumulative, as these devices recover the digital data from the analog  signal and generate a new analog signal. Digital signaling is not as practical as analog, but digital  transmission is superior to analog in cost & quality (in both voice and digital data).  Data encoding:  Data, either analog or digital must be converted into signal for purposes of transmission. The mapping  from binary digits to signal elements is the encoding scheme used to be able to transmit digital data.  The receiver must know when a bit begins and ends (for sampling incoming bits one at a time) and  must recognize the value of each bit. The receiver will be more successful in interpreting the incoming  signal if the signal will have a high strength ( it will withstand more attenuation and will stand out to  any present noise). The receiver will be in a more difficult position to sample and make decisions with  high data rates (each bit occupies a small amount of time). The encoding scheme will affect the receiver  performance. With analog data, the encoding scheme will affect the transmission performance.  Digital data, analog signal:  The basis for analog signaling is a continuous constant frequency signal known as the carrier signal.  Digital data are encoded by modulating any of the three characteristics of the carrier: amplitude,  frequency, phase shift (or a combination of). Modulation of analog signals for digital data can be  classified into: amplitude­shift keying, frequency­shift and phase­shift keying.  Digital data, digital signal:  The transmission of digital data as digital signals is the technique used in a number of local networks.  Two families of coding techniques exist: non­return to zero (level and invert on ones) and biphase codes  (Manchester and differential Manchester).  Analog data, digital signal:  Digital signals to encode analog data are pulse code modulation (PCM) and delta modulation  (DM)schemes. The sampling theory states that if a signal f(t) is sampled at regular intervals of time and  at a rate higher than twice the highest significant signal frequency then the samples contain all the  information of the original signal (Nyquist frequency). The f(t) may be reconstructed from the samples 

by the use of a low pass filter.  Multiplexing:  In both local and long haul (wide) area communications, the capacity of the transmission medium  exceeds that required for the transmission of a single signal. The medium, usually carry multiple signals  simultaneously. This technique is known as multiplexing. Multiplexing can further be classified into  frequency division and time division multiplexing, FDM & TDM. With FDM,  a number of signals can  be carried simultaneously if each signal is modulated onto a different carrier frequency, and the carrier  frequencies are sufficiently separated so that the bandwidths of the signals do not overlap. Signal  source are fed into a multiplexer which modulates each signal onto a different frequency. Each signal  requires a certain bandwidth centered around its carrier frequency (a channel). TDM takes advantage of  the fact that the achievable bit rate of the medium exceeds the required data rate of a digital signal.  Multiple digital signals can be carried on a single transmission path by interleaving portion of each  signal in time. Interleaving can be for bits or bytes. The sequence of time slots dedicated to a particular  source is called a channel and one cycle of time slots is called a frame (per source).  Synchronous vs. Asynchronous transmission:  A fundamental requirement of digital data communications (analog or digital signal) is that the receiver  knows the starting time and duration of each bit that it receives. With asynchronous transmission, each  character (5 to 8 bits) is preceded by a start code and followed by a stop code. In synchronous  communication, blocks of characters or bits are transmitted without start and stop codes with a  predictable time of arrival or departure of each bit. The synchronization of the clocks of the sender and  receiver is achieved either by providing a separate clock line or embedding the clocking information in  the data signal. For the receiver to determine the beginning and end of the block of data, the block has  to begin with a preamble bit pattern and to end with a postamble bit pattern. The data plus the pre and  post amble is called a frame.  The block of data can be classified into character­oriented and bit  oriented.  Communication switching techniques:  They can be classified into circuit, message, packet and hybrid. When 2 devices or more have to  communicate but they are very far apart, having the devices connected to each other is impractical. The  solution is connecting each device to a communication network. Communication is achieved by  transmitting data from source to destination through a network of intermediate nodes.  The nodes are  not concerned with the content of the data, rather to provide a switching facility (routing the data from  node to node until they reach their destination). The collection of the nodes is referred to as a  communication network.  Components of a LAN: the components of a local network can be classified into hardware and software.  The hardware of a LAN will include the following components:  File servers: a network file server is a computer system used for the purpose of managing network file  system, servicing the network,  printers & handling network communications. The server may be  dedicated in which case all of its processing power is allocated to network functions, or it may be non­ dedicated where part of the server's functions may be allocated as a work station or other operating  system based applications. For larger networks, larger RAM memory amounts are required to support 

disk caches and printer queues. The throughput performance of a server is a combination of several  factors including the processor type, processor speed, wait­state factor, memory caching capabilities,  hard disk performance.  Workstations: are attached to the server through the interface card (which is function of the type of  network & its protocol) and the cabling. The concept of distributed processing relies on the fact that  personal computers attached to networks perform their own processing after loading programs and data  from the server. This frees the server for network tasks. Files are then stored back on the server, where  they can be used by other workstations or included in the server backup. Workstations can be diskless.  They require special circuiting in the NIC to access the server.  Network interface cards (NIC): they provide the connection for network cabling to servers and  workstations.  There are numerous types of cards that support many different types of cables/medium  ( twisted pair, 50 ohm or 75 ohm coaxial, fiber optic or antenna) and network typologies (star, ring, bus  or tree). A network interface card provides the protocols and commands required to support the type of  network the card is designed for. Some boards will have additional memory for buffering in­coming and  out­going data packets, improving the throughput of the network. NIC contains various switches and  jumpers to select various hardware interrupts, input/output addresses and others, they should be  adjusted for the proper operation.  The drivers of the network should be compatible with the NIC.  Network cabling: once the server, workstations and NIC's are in place, network cabling is used to  connect everything together.  The type of cable used depends on many factors: performance, cost, ease  of installation, expandability, building code specification. The cable should be compatible with the  different cards used in the network servers workstations and other peripherals. The typical hardware  components for some of the commonly used networks (baseband­coax & twisted pair, broadband,  optical fiber & line of sight) are given hereafter:  Baseband systems: most baseband coaxial cable, rather than using the standard CATV 75 ohm, are  using a special 50 ohm cable. The special 50 ohm cable suffers less intense reflections from the  insertion capacitance of the taps and is not as susceptible to low­frequency electromagnetic noise. The  lower the data rate, the longer the cable can be. At a lower data rate, the individual pulses of a digital  signal will last longer and will be recovered in the presence of attenuation and noise more easily than  with higher rate. The Ethernet specification specified the use of 50­ohm cable with a 0.4 inch diameter  and a data rate 10 Mbps. With these parameters, the maximum length of the cable is set at 500 meters.  Stations attached to the cable by means of a tap are spaced 2.5 m. and multiples there of. The maximum  number of taps allowed is 100. This system is known as 10 base 5. For personal computers LANs, 10  base 2 can be specified, the thinner cable (.25 in) used is more flexible. The thinner cable is easier to  install and requires cheaper electronics than the thicker cable. It supports fewer taps over a shorter  distance (200 M). The typical components are: the transceiver, transceiver cable, controller, 50 ohm  coaxial cable and 50 ohm terminators. The transceiver taps into the coaxial cable. It transmits signals  from the station to the cable and vice versa. It also contains the electronics necessary to recognize the  presence of a signal on the coaxial cable and to recognize the collision of two signals. Ground isolation  for the signals from the cable and from the station is also provided. The transceiver cable comprises two  twisted pair (twin pair) and connects the transceiver to the controller. All the electronics could be 

included at the transceiver end. It is preferable to have the electronics at the tap as simple as possible.  The twin pair supplies power to the transceiver and passes data signals between the transceiver and the  controller beside the control signals (which include a collision presence signal). The enabling and  disabling of the transceiver from the controller is possible by a control signal. The controller is an  implementation of all the functions (excluding those offered by the transceiver) needed to manage  access to the coax cable for the purpose of exchanging packets between the coax cable and the attached  station. Sometimes a repeater may be required to finalize the building of a LAN  bus. The repeater  passes digital signals in both directions between the two segments, amplifying and regenerating the  signals as they pass through. Only one path of segments and repeaters is allowed between any two  stations.  Unshielded twisted pair communication medium (spare telephone wires running from wiring closets to  each office) with baseband systems is common in office buildings.  Broadband systems: the broadband is suitable for tens of kilometers radius from the headend and  hundreds of devices. The main components of the system are: coaxial cable, terminators, amplifiers,  directional couplers, modems, controllers. Cables used in broadband networks can be classified into:  trunk, distribution (or feeder) and drop cables. The first uses a semi­rigid construction (non­flexible) of  which the outer portion of the cable is made of solid aluminum. It comes in six sizes from .412 to 1  inch in diameter can be used indoors and outdoors. The second type is used for shorter distances and for  branch cables. It is .4 to .5 inch in diameter and is either semi­rigid or flexible. It is used indoors. The  choice of the size and flexibility degree depends on the physical constraints of the route, the required  signal level and local safety and building codes. The third type is used to connect outlets or stations to  distribution cables.  It is usually 10 to 15 feet long.  Its size can be any of the following RG­59 (.242"),  RG­6 (.336") or RG­11 (.405") and is flexible. To compensate for cable attenuation, amplifiers are used  on trunk or distribution cables (which can be as long as 800 meters). For split systems, amplifiers must  be bidirectional passing and amplifying lower frequency in one direction and higher frequency in the  other.  Directional couplers provide a means of dividing one input into two outputs, and combining two  inputs into one output. Spliters used to branch the cable. Modems are needed to convert between the  digital data of the attached stations and the analog signal on the medium.  Fiber LAN: one of the most important consideration in the use of optical fibers and light rays for  communication and data transmission is the fact that light rays are almost immune to electrical  interference when sent over an optical fiber transmission path. Thus, interference due to sparks,  lightning and crosstalk are not present in an optical fiber. Electromagnetic energy radiation from fiber  optics does not exist. The three basic elements in a fiber optic system are the transmitter, the optical  fiber and the receiver. The first is the unit which must generate the light rays and be capable of being  switched on and off and being possible to modulate data (intelligence) onto the light rays. The second  must have a purity and cladding including protection from mechanical damage so that it is transparent  to the light frequencies in use. It is capable of being spliced and repaired, it conveys the rays a  reasonable distance before a repeater is used to re­amplify the light beams and retransmit them. The  third reconverts those light rays back to analog or digital currents and voltages. The passive star coupler  is fabricated by fusing together a number of optical fibers. To form a network, each device is connected  to the coupler with two fibers (one for transmit and one for receive). The transmit fibers enter the 

coupler on one and the receive fibers exit on the other. The attenuation that will occur in the network  consists of the following: optical connector losses (1 to 1.5 dB per connector), optical cable attenuation  (3­10 dB/Km) and optical power division in the coupler (the coupler divides the optical power from one  transmission path to all reception paths, equally, for a 16 port the effective loss will be 12 dB).  The central coupler of the active star is an active repeater. Like the passive star, it appears as a bus to  the attached devices. The receiver module detects the optical signal, passed on to the control module  and than to the transmitter module where it is retransmitted in an optical form on all output fibres. The  classification of taps type either active or passive can be used to characterize the LAN or HSLN bus.  With active taps the following occur; optical signal energy enters the tap from the bus, clocking  information is recovered from the signal and the signal is converted into an electrical signal, the  converted signal is presented to and modified by the nodes, the optical output (a light beam) is  modulated according to the electrical signal and inserted on the bus. With passive taps, the portion of  the optical energy is extracted from the bus (by the tap).  It injects optical energy directly into the  medium. Transmission of light rays is classified into single and multimode.  Line of Sight Media:  because of the high frequency at which these devices operate (microwave 10 to 10  Hz, infrared 10  to 10  Hz; laser 10  to 10  ) the potential for very high data rates exists (several Mbps  over short links). When it is difficult to swing cables between buildings/underground or on poles, this  technique proves to be extremely useful. The infrared link consists of a pair of transmitter/receiver  (transceivers) that modulate noncoherent infrared light. Transceivers must be within the line of sight (of  each other) installed on either a roof top or within a building with data transmitted through adjacent  exterior windows. These systems are highly directional (difficult to jam, intercept or inject data into).  Infrared and laser are susceptible to environmental interference. With microwave transceivers, they are  mounted externally to a building, they are less directional than their counterparts.  How does a local network works? The nature of local networks is defined by the following: topology  which can be any or a combination of star, bus, tree or ring, transmission media which can be any or a  combination of twisted pair, coaxial cable, optical fiber cable or line of sight & medium access control  which can be classified into centralized (polling, centralized reservation) or distributed (token bus,  token ring, delay scheduling, distributed reservation, slotted ring, register insertion, carrier sense  multiple access ­CSMA/collision detect ­CD or listen whilee talk). Local area networks are the most  common of the three types (LANs, HSLN, circuit switched local networks). It is used to refer to a  general purpose local network which can serve a wide variety of devices over a large area. LAN  supports minis, main frames, terminals and peripherals.  This network can carry data, voice, video and  graphics. Office & factory automation fall into this category of networks. Layers 1 through 3 of the ISO  OSI reference model are required for proper functioning of a packet switched network. The layers are:  physical, data link and network.  The first is concerned with transmission of unstructured bit stream  over physical link.  It deals with the mechanical, electrical, functional and procedural characteristics to  establish, maintain and deactivate the physical link. The second provides for the reliable transfer of data  across the physical link, sends blocks of data (frames) with the necessary synchronization, error and  flow control. The third layer provides the upper layers with independence from the data transmission  and switching technologies. LAN protocol layers are the physical & the data link (has the medium 

access control and logical link control sublayers plus the service access points). The physical layer  functions are: encoding/decoding of signals, preamble generation/removal (for synchronization) and bit  transmission/reception. Local networks consist of collection of devices that must share the network's  transmission capacity. Means of controlling access to the transmission medium is needed so when two  particular devices have to communicate they can perform this function in an orderly manner. Control is  either exercised in a centralized or distributed fashion. The constrains on how medium access control is  exercised is dictated by the topology and is a trade off among: cost, performance, complexity. Access  control can be categorized into synchronous and asynchronous. With synchronous techniques, a  specific capacity is dedicated to a connection. Asynchronous is the allocation of the capacity  dynamically depending on the immediate needs of various connections. Asynchronous approach can  further be divided into round robin, reservation and contention. Examples for distributed asynchronous  (round robin) medium access control are: token bus, token ring, delay scheduling and implicit token; for  distributed contention are:CSMA/CD, slotted ring and register insertion.  Tasks of a local network: the LAN should provide to the system administrator the following facilities to  run & monitor the network:  ­ Installation commands are used to install network operating system on the file server, to create  workstation disks and boot files, also to create remote workstations.  ­ Menu utilities: are designed to make both administrator and user interaction with the operating system  easier. They can be used to make alterations to a user session, change directory and file attributes, and  monitor the system.  ­ Security commands: are designed to keep unauthorized people out of the system using log­in  commands and passwords. Directory and file privileges are the approaches used to secure and control  accessibility to the different information on the server. Managing users and user rights commands are  also used to achieve control of accessibility.  ­ Directory commands: to list, re­name, view, map, etc. directories.  ­ File commands: They are used to handle files on a network system.  ­ Messaging and broadcasting: messages can be addressed to a single user, a group of/all users.  ­ Printer commands: are used to define new printers, print jobs, to make printer handling easier,  manipulate print jobs, to check printer status.  ­ Backup commands: backup are made to tape drivers or another hard disk on a network system.  They  can be used to backup specific files in specific directories (such as those changed since last backup).  ­ Server commands: like attaching to another server while remain logged into the current file server, or  to view the information of all connected file servers, to the network.  ­System information: these commands are used to display information about the network, curent file  server or other file servers on the network.  ­ Performance monitoring: to give the information regarding the activities of all logged in workstations,  to check all file servers performance.  ­ Disk utilities: can be used to monitor the performance of a file server and its volumes, the statistics of  a volume (eg. its files in use).  ­ Maintenance commands: are used to maintain the file server or network, to notify users and prevent 

users from logging on.