Домен коллизий
В технологии Еthеrnеt, независимо от применяемого стандарта физического уровня, существует понятие домена коллизий.
Домен коллизий (collision domain) — это часть сети Еthеrnеt , все узлы которой распознают коллизию независимо от того, в какой части этой сети коллизия возникла. Сеть Еthеrnеt, построенная на повторителях, всегда образует один домен коллизий. Домен коллизий соответствует одной разделяемой среде. Мосты, коммутаторы и маршрутизаторы делят сеть Еthеrnеt на несколько доменов коллизий.
Приведенная на рис. 3.11 сеть представляет собой один домен коллизий. Если, например, столкновение кадров произошло в концентраторе 4, то в соответствии с логикой работы концентраторов 10Ваsе-Т сигнал коллизии распространится по всем портам всех концентраторов.
Если же вместо концентратора 3 поставить в сеть мост, то его порт С, связанный с концентратором 4, воспримет сигнал коллизии, но не передаст его на свои остальные порты, так как это не входит в его обязанности. Мост просто отработает ситуацию коллизии средствами порта С, который подключен к общей среде, где эта коллизия возникла. Если коллизия возникла из-за того, что мост пытался передать через порт С кадр в концентратор 4, то, зафиксировав сигнал коллизии, порт С приостановит передачу кадра и попытается передать его повторно через случайный интервал времени. Если порт С принимал в момент возникновения коллизии кадр, то он просто отбросит полученное начало кадра и будет ожидать, когда узел, передававший кадр через концентратор 4, не сделает повторную попытку передачи. После успешного принятия данного кадра в свой буфер мост передаст его на другой порт в соответствии с таблицей продвижения, например на порт А. Все события, связанные с обработкой коллизий портом С, для остальных сегментов сети, которые подключены к другим портам моста, останутся просто неизвестными.
Узлы, образующие один домен коллизий, работают синхронно, как единая распределенная электронная схема.
Общие характеристики стандартов Еthеrnеt 10 Мбит/с
В табл. 3.3 и 3.4 сведены основные ограничения и характеристики стандартов Еthеrnеt
Таблица 3.3. Общие ограничения для всех стандартов Еthеrnеt
Номинальная пропускная способность 10 Мбит/с
Максимальное число станций в сети 1024
Максимальное расстояние между узлами в сети 2500м(10 Base-FB 2750м)
Максимальное число коаксиальных сегментов в сети 5
Таблица 3.4. Параметры спецификаций физического уровня для стандарта Еthеrnеt
|
10Base-5 |
10Base-2 |
10Base-T |
10Base-F |
|
|
Кабель |
Толстый коаксиальный кабель RG-8 или RG-11 |
Тонкий коаксиальный кабель RG-58 |
Неэкранированная витая пара категорий 3,4,5 |
Многомодовый волоконно-оптический кабель |
|
Максимальная длина сегмента,м |
500 |
185 |
100 |
2000 |
|
Максимальное расстояние между узлами сети (при использовании повторителей), м |
2500 |
925 |
500 |
2500(2740 для 10Base-FB) |
|
Максимальное число станций в сегменте |
100 |
30 |
1024 |
1024 |
|
Максимальное число повторителей между любыми станциями сети |
4 |
4 |
4 |
4(5 для 10Base-F) |
Соблюдение многочисленных ограничений, установленных для различных стандартов физического уровня сетей Еthеrnеt, гарантирует корректную работу сети (естественно, при исправном состоянии всех элементов физического уровня).
Наиболее часто приходится проверять ограничения, связанные с длиной отдельного сегмента кабеля, а также количеством повторителей и общей длиной сети. Правила «5-4-3» для коаксиальных сетей и «4-х хабов» для сетей на основе витой пары и оптоволокна не только дают гарантии работоспособности сети, но и оставляют большой «запас прочности» сети/Например, если посчитать время двойного оборота в сети, состоящей из 4-х повторителей 10Вазе-5 и 5-ти сегментов максимальный длины 500 м, то окажется, что оно составляет 537 битовых интервала.
А так как время передачи кадра минимальной длины, состоящего вместе с преамбулой 72 байт, равно 575 битовым интервалам, то видно, что разработчики стандарта Еthеrnеt оставили 38 битовых интервала в качестве запаса для надежности. Тем не менее комитет 802.3 говорит, что и 4 дополнительных битовых интервала создают достаточный запас надежности.
Комитет IEЕЕ 802.3 приводит исходные данные о задержках, вносимых повторителями и различными средами передачи данных, для тех специалистов, которые хотят самостоятельно рассчитывать максимальное количество повторителей и максимальную общую длину сети, не довольствуясь теми значениями, которые приведены в правилах «5-4-3» и «4-х хабов». Особенно такие расчеты полезны для сетей, состоящих из смешанных кабельных систем, например коаксиала и оптоволокна, на которые правила о количестве повторителей не рассчитаны. При этом максимальная длина каждого отдельного физического сегмента должна строго соответствовать стандарту, то есть 500 м для «толстого» коаксиала, 100 м для витой пары
и т. д
Чтобы сеть Еthеrnеt , состоящая из сегментов различной физической природы, работала корректно, необходимо выполнение четырех основных условий:
количество станций в сети не более 1024;
· максимальная длина каждого физического сегмента не более величины, определенной в соответствующем стандарте физического уровня;
время двойного оборота сигнала (Раth Dе1ау Vаluе, РDV) между двумя самыми удаленными друг от друга станциями сети не более 575 битовых интервала;
сокращение межкадрового интервала IРG (РаTH Variability Value, РVV) при прохождении последовательности кадров через все повторители должно быть не больше, чем 49 битовых интервала. Так как при отправке кадров конечные узлы обеспечивают начальное межкадровое расстояние в 96 битовых интервала, то после прохождения повторителя оно должно быть не меньше, чем 96 - 49 = 47 битовых интервала.
Соблюдение этих требований обеспечивает корректность работы сети даже в случаях, когда нарушаются простые правила конфигурирования, определяющие максимальное количество повторителей и общую длину сети в 2500 м.
Расчет РDV
Для упрощения расчетов обычно используются справочные данные IEЕЕ, содержащие значения задержек распространения сигналов в повторителях, приемопередатчиках и различных физических средах. В табл. 3.5 приведены данные, необходимые для расчета значения РDV для всех физических стандартов сетей
Еthеrnеt. Битовый интервал обозначен как bt.
Таблица 3.5. Данные для расчета значения РDV
|
Тип сегмента |
База левого сегмента, bt |
База промежуточного сегмента, bt |
База правого сегмента, bt |
Задержка среды на 1 м, bt |
Максимальная длина сегмента, м |
|
10Ваsе-5 |
11,8 |
46,5 |
169,5 |
0,0866 |
500 |
|
10Ваsе-2 |
11,8 |
46,5 |
169,5 |
0,1026 |
185 |
|
10Ваsе-Т |
15,3 |
42,0 |
165,0 |
0,113 |
100 |
|
ЮВазе-FВ |
— |
24,0 |
— |
0,1 |
2000 |
|
10Ваsе-FL |
12,3 |
33,5 |
156,5 |
0,1 |
2000 |
|
FOIRL |
7,8 |
29,0 |
152,0 |
0,1 |
1000 |
|
АUI(> 2 м) |
0 |
0 |
0 |
0,1026 |
2+48 |
Чтобы не нужно было два раза складывать задержки, вносимые кабелем, в таблице даются удвоенные величины задержек для каждого типа кабеля.
Рис. 3.13. Пример сети Еthеrnеt, состоящей из сегментов различных физических стандартов
В таблице используются также такие понятия, как левый сегмент, правый сегмент и промежуточный сегмент. Поясним эти термины на примере сети, приведенной на рис. 3.13. Левым сегментом называется сегмент, в котором начинается путь сигнала от выхода передатчика (выход Тх
на рис. 3.10) конечного узла. На примере это сегмент 1. Затем сигнал проходит через промежуточные сегменты 2-5 и доходит до приемника (вход Rх на рис. 3.10) наиболее удаленного узла наиболее удаленного сегмента 6, который называется правым.
Именно здесь в худшем случае происходит столкновение кадров и возникает коллизия, что и подразумевается в таблице.
С каждым сегментом связана постоянная задержка, названная базой, которая зависит только от типа сегмента и от положения сегмента на пути сигнала (левый, промежуточный или правый). База правого сегмента, в котором возникает коллизия, намного превышает базу левого и промежуточных сегментов.
Кроме этого, с каждым сегментом связана задержка распространения сигнала
вдоль кабеля сегмента, которая зависит от длины сегмента и вычисляется путем умножения времени распространения сигнала по одному метру кабеля (в битовых интервалах) на длину кабеля в метрах.
Расчет заключается в вычислении задержек, вносимых каждым отрезком кабеля (приведенная в таблице задержка сигнала на 1 м кабеля умножается на длину сегмента), а затем суммировании этих задержек с базами левого, промежуточных и правого сегментов. Общее значение РВУ не должно превышать 575.
Так как левый и правый сегменты имеют различные величины базовой задержки, то в случае различных типов сегментов на удаленных краях сети необходимо выполнить расчеты дважды: один раз принять в качестве левого сегмента сегмент одного типа, а во второй — сегмент другого типа. Результатом можно считать максимальное значение РВУ. В нашем примере крайние сегменты сети принадлежат к одному типу — стандарту 10Ваsе-Т, поэтому двойной расчет не требуется, но если бы они были сегментами разного типа, то в первом случае нужно было бы принять в качестве левого сегмент между станцией и концентратором 1, а во втором считать левым сегмент между станцией и концентратором 5.
Приведенная на рисунке сеть в соответствии с правилом 4-х хабов не является корректной — в сети между узлами сегментов 1 и б имеется 5 хабов, хотя не все сегменты являются сегментами 10Ваsе-РВ. Кроме того, общая длина сети равна 2800 м, что нарушает правило 2500 м. Рассчитаем значение РDV для нашего примера.
Левый сегмент 1: 15,3 (база) + 100 х 0,113 = 26,6.
Промежуточный сегмент 2: 33,5 + 1000 х 0,1 = 133,5.
Промежуточный сегмент 3: 24 + 500 х 0,1= 74,0.
Промежуточный сегмент 4: 24 + 500 х 0,1 = 74,0.
Промежуточный сегмент 5: 24 + 600 х 0,1= 84,0.
Правый сегмент 6: 165 + 100 х 0,113 = 176,3.
Сумма всех составляющих дает значение РDV, равное 568,4.
Так как значение РDV меньше максимально допустимой величины 575, то эта сеть проходит по критерию времени двойного оборота сигнала несмотря на то, что ее общая длина составляет больше 2500 м, а количество повторителей — больше 4-х.
Расчет РVV
Чтобы признать конфигурацию сети корректной, нужно рассчитать также уменьшение межкадрового интервала повторителями, то есть величину РVV.
Для расчета РVV также можно воспользоваться значениями максимальных величин уменьшения межкадрового интервала при прохождении повторителей различных физических сред, рекомендованными IЕЕЕ и приведенными в табл. 3.6.
Таблица 3.6. Сокращение межкадрового интервала повторителями
10Ваsе-5 или 10Ваsе-2 16 11
10Ваsе-FВ -- 2
10Ваsе-FL 10,5 8
10Ваsе-Т 10,5 8
В соответствии с этими данными рассчитаем значение РVV для нашего примера.
Левый сегмент 1 10Ваsе-Т: сокращение в 10,5 bt.
Промежуточный сегмент 2 10Ваsе-FL: 8.
Промежуточный сегмент 3 10Ваsе-FВ: 2.
Промежуточный сегмент 4 10Ваsе-FВ: 2.
Промежуточный сегмент 5 10Ваsе-FВ: 2.
Сумма этих величин дает значение РVV, равное 24,5, что меньше предельного значения в 49 битовых интервала.
В результате приведенная в примере сеть соответствует стандартам Еthеrnеt по всем параметрам, связанным и с длинами сегментов, и с количеством повторителей.
Физический уровень 100Ваsе-Т4 - витая пара UТР Саt3, четыре пары
Спецификация 100Ваsе-Т4 была разработана для того, чтобы можно было использовать для высокоскоростного Ethernet имеющуюся проводку на витой паре категории 3. Эта спецификация позволяет повысить общую пропускную способность за счет одновременной передачи потоков бит по всем 4 парам кабеля.
Спецификация 100Ваsе-Т4 появилась позже других спецификаций физического уровня Fast Ethernet. Разработчики этой технологии в первую очередь хотели создать физические спецификации, наиболее близкие к спецификациям 10Ваsе-Т и 10Ваsе-F, которые работали на двух линиях передачи данных: двух парах или двух волокнах. Для реализации работы по двум витым парам пришлось перейти на более качественный кабель категории 5.
В то же время разработчики конкурирующей технологии 100VG-АnуLAN изначально сделали ставку на работу по витой паре категории 3; самое главное преимущество состояло не столько в стоимости, а в том, что она была уже проложена в подавляющем числе зданий. Поэтому после выпуска спецификаций 100Ваsе-TХ и 100Ваsе-FХ разработчики технологии Fast Ethernet реализовали свой вариант физического уровня для витой пары категории 3.
Вместо кодирования 4В/5В в этом методе используется кодирование 8В/6Т, которое обладает более узким спектром сигнала и при скорости 33 Мбит/с укладывается в полосу 16 МГц витой пары категории 3 (при кодировании 4В/5В спектр сигнала в эту полосу не укладывается). Каждые 8 бит информации уровня МАС кодируются 6-ю троичными цифрами (ternary symbols), то есть цифрами, имеющими три состояния. Каждая троичная цифра имеет длительность 40 нc. Группа из 6-ти троичных цифр затем передается на одну из трех передающих витых пар, независимо и последовательно.
Четвертая пара всегда используется для прослушивания несущей частоты в целях обнаружения коллизии. Скорость передачи данных по каждой из трех передающих пар равна 33,3 Мбит/с, поэтому общая скорость протокола 100Ваsе-Т4 составляет 100 Мбит/с. В то же время из-за принятого способа кодирования скорость изменения сигнала на каждой паре равна всего 25 Мбод, что и позволяет использовать витую пару категории 3.
На рис. 3. 23 показано соединение порта МDI сетевого адаптера 100Ваsе-Т4 с портом МDI-Х концентратора (приставка X говорит о том, что у этого разъема присоединения приемника и передатчика меняются парами кабеля по сравнению с разъемом сетевого адаптера, что позволяет проще соединять пары проводов в кабеле — без перекрещивания). Пара 1-2 всегда требуется для передачи данных от порта МDI к порту МDI-Х, пара 3-6 —для приема данных портом МDI от порта МDI-Х, а пары 4-5 и 7-8 являются двунаправленными и используются как для приема, так и для передачи, в зависимости от потребности.
Рис. 3.23. Соединение узлов по спецификации 100Ваsе-Т4
3.6.2. Правила построения сегментов Fast Ethernet при использовании повторителей
Технология Fast Ethernet, как и все некоаксиальные варианты Ethernet , рассчитана на использование концентраторов-повторителей для образования связей в сети.
Правила корректного построения сегментов сетей Fast Ethernet включают:
• ограничения на максимальные длины сегментов, соединяющих DТЕ с DТЕ;
• ограничения на максимальные длины сегментов, соединяющих DТЕ с портом повторителя;
• ограничения на максимальный диаметр сети;
• ограничения на максимальное число повторителей и максимальную длину сегмента, соединяющего повторители.
Кадр Еthеrnеt SNАР
Для устранения разнобоя в кодировках типов протоколов, сообщения которых вложены в поле данных кадров Еthеrnеt, комитетом 802.2 была проведена работа по дальнейшей стандартизации кадров Еthеrnеt. В результате появился кадр Еthеrnеt SNAP (SNАР — SubNetwork Access Protocol, протокол доступа к подсетям). Кадр Еthеrnеt SNАР (см. рис. 3.6) представляет собой расширение кадра 802.3/LLС за счет введения дополнительного заголовка протокола SNАР, состоящего из двух полей: ОUI и Туре. Поле Туре состоит из 2-х байт и повторяет по формату и назначению поле Туре кадра Еthеrnеt II (то есть в нем используются те же значения кодов протоколов). Поле ОUI (Оrganizationally Unique Identifier) определяет идентификатор организации, которая контролирует коды протоколов в поле Туре. С помощью заголовка SNАР достигнута совместимость с кодами протоколов в кадрах Еthеrnеt II, а также создана универсальная схема кодирования протоколов. Коды протоколов для технологий 802 контролирует IEЕЕ, которая имеет ОUI, равный 000000. Если в будущем потребуются другие коды протоколов для какой-либо новой технологии, для этого достаточно указать другой идентификатор организации, назначающей эти коды, а старые значения кодов останутся в силе (в сочетании с другим идентификатором ОUI).
Так как SNАР представляет собой протокол, вложенный в протокол LLС, то в полях DSАР и SSАР записывается код 0хАА, отведенный для протокола SNАР.
Поле Соntrol заголовка LLС устанавливается в 0x03, что соответствует использованию ненумерованных кадров.
Заголовок SNАР является дополнением к заголовку LLС, поэтому он допустим не только в кадрах Еthеrnеt, но и в кадрах протоколов других технологий 802. Например, протокол IР всегда использует структуру заголовков LLС/SNАР при инкапсуляции в кадры всех протоколов локальных сетей: FDDI, Токеn Еthеrnеt, 100VG-AnyLAN, Еthеrnеt, Fast Еthеrnеt,Gigabit Еthеrnеt.
Правда, при передаче пакетов IР через сети Еthеrnеt, Fast Еthеrnеt,Gigabit Еthеrnеt протокол IР использует кадры Еthеrnеt DIX.
Использование различных типов кадров Еthеrnеt.
Автоматическое распознавание типов кадров Еthеrnеt выполняется достаточно несложно. Для кодирования типа протокола в поле ЕthеrТуре указываются значения, превышающие значение максимальной длины поля данных, равное 1500, поэтому кадры Еthеrnеt II легко отличить от других типов кадров по значению поля L/Т. Дальнейшее распознавание типа кадра проводится по наличию или отсутствию полей LLС. Поля LLС могут отсутствовать только в том случае, если за полем длины идет начало пакета IРХ, а именно 2-байтовое поле контрольной суммы пакета, которое всегда заполняется единицами, что дает значение в 255 байт. Ситуация, когда поля DSАР и SSАР одновременно содержат такие значения, возникнуть не может, поэтому наличие двух байт 255 говорит о том, что это кадр Rаw 802.3. В
остальных случаях дальнейший анализ проводится в зависимости от значений полей DSАР и SSАР. Если они равны 0хАА, то это кадр Еthеrnеt SNАР, а если нет, то 802.3/LLС.
В табл. 3.2 приведены данные о том, какие типы кадров Еthеrnеt: обычно поддерживают реализации популярных протоколов сетевого уровня.
Таблица 3.2. Типы кадров Еthеrnеt, поддерживающие реализации популярных протоколов сетевого уровня
Тип кадра Сетевые протоколы
Еthеrnеt 802.3 IPX
Еthеrnеt
802.2 IPX,FTAM
Еthеrnеt SNAР IPX,IP,AppleTalk Phase II
3.3.4. Спецификации физической среды Еthеrnеt
Исторически первые сети технологии Еthеrnеt были созданы на коаксиальном кабеле диаметром 0,5 дюйма. В дальнейшем были определены и другие спецификации физического уровня для стандарта Еthеrnеt, позволяющие использовать различные среды передачи данных.
Метод доступа СSМА/СD и все временные
параметры остаются одними и теми же для любой спецификации физической среды технологии Еthеrnеt 10 Мбит/с.
Физические спецификации технологии Еthеrnеt на сегодняшний день включают следующие среды передачи данных.
• 10Ваsе-5 — коаксиальный кабель диаметром 0,5 дюйма, называемый «толстым» коаксиалом. Имеет волновое сопротивление 50 Ом. Максимальная длина сегмента — 500 метров (без повторителей).
• 10Ваsе-2 — коаксиальный кабель диаметром 0,25 дюйма, называемый «тонким» коаксиалом. Имеет волновое сопротивление 50 Ом. Максимальная длина сегмента — 185 метров (без повторителей).
• 10Ваsе-Т — кабель на основе неэкранированной витой пары (Unshielded Twisted Pair,UТР). Образует звездообразную топологию на основе концентратора. Расстояние между концентратором и конечным узлом — не более 100 м.
• 10Вазе-F — волоконно-оптический кабель. Топология аналогична топологии стандарта 10Ваsе-Т. Имеется несколько вариантов этой спецификации — FОIRL (расстояние до 1000 м), 10Ваsе-FL. (расстояние до 2000 м), 10Ваsе-FВ (расстояние до 2000 м).
Число 10 в указанных выше названиях обозначает битовую скорость передачи данных этих стандартов — 10 Мбит/с, а слово Вазе — метод передачи на одной базовой частоте 10 МГц (в отличие от методов, использующих несколько несущих частот, которые называются Broadband — широкополосными). Последний символ в названии стандарта физического уровня обозначает тип кабеля.
Стандарт 10Ваsе-5
Стандарт 10Ваsе-5 в основном соответствует экспериментальной сети Еthеrnеt фирмы Хегох и может считаться классическим Еthеrnеt. Он использует в качестве среды передачи данных коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50 Ом, диаметром центрального медного провода 2,17 мм и внешним диаметром около 10 мм («толстый» Еthеrnеt). Такими характеристиками обладают кабели марок RG-8 и RG-11.
Различные компоненты сети, состоящей из трех сегментов, соединенных повторителями, выполненной на толстом коаксиале, показаны на рис. 3.7.
Кабель используется как моноканал для всех станций. Сегмент кабеля имеет максимальную длину 500 м (без повторителей) и должен иметь на концах согласующие терминаторы сопротивлением 50 Ом, поглощающие распространяющиеся по кабелю сигналы и препятствующие возникновению отраженных сигналов. При отсутствии терминаторов («заглушек») в кабеле возникают стоячие волны, так что
одни узлы получают мощные сигналы, а другие — настолько слабые, что их прием становится невозможным.
Риc. 3.7. Компоненты физического уровня сети стандарта 10 Ваsе-5, состоящей из трех сегментов
Станция должна подключаться к кабелю при помощи приемопередатчика —трансивера (transmitter+receiver = transceiver). Трансивер устанавливается непосредственно на кабеле и питается от сетевого адаптера компьютера. Трансивер может подсоединяться к кабелю как методом прокалывания, обеспечивающим непосредственный физический контакт, так и бесконтактным методом.
Трансивер соединяется с сетевым адаптером интерфейсным кабелем AUI (Аttachment Unit Interfase) длиной до 50 м, состоящим из 4 витых пар (адаптер должен иметь разъем АТЛ). Наличие стандартного интерфейса между трансивером и остальной частью сетевого адаптера очень полезно при переходе с одного типа кабеля на другой. Для этого достаточно только заменить трансивер, а остальная часть сетевого адаптера остается неизменной, так как она отрабатывает протокол уровня МАС.При этом необходимо только, чтобы новый трансивер (например, трансивер для витой пары) поддерживал стандартный интерфейс АUI. Для присоединения к интерфейсу АUI
используется разъем DВ-15.
Допускается подключение к одному сегменту не более 100 трансиверов, причем расстояние между подключениями трансиверов не должно быть меньше 2,5 м. На кабеле имеется разметка через каждые 2,5 м, которая обозначает точки подключения трансиверов. При подсоединении компьютеров в соответствии с разметкой влияние стоячих волн в кабеле на сетевые адаптеры сводится к минимуму.
Трансивер — это часть сетевого адаптера, которая выполняет следующие функции:
· прием и передача данных с кабеля на кабель;
определение коллизий на кабеле;
электрическая развязка между кабелем и остальной частью адаптера;
защита кабеля от некорректной работы адаптера.
Последнюю функцию иногда называют «контролем болтливости», что является буквальным переводом соответствующего английского термина (jabber control). При возникновении неисправностей в адаптере может возникнуть ситуация, когда на кабель будет непрерывно выдаваться последовательность случайных сигналов. Так как кабель — это общая среда для всех станций, то работа сети будет заблокирована одним неисправным адаптером. Чтобы этого не случилось, на выходе передатчика ставится схема, которая проверяет время передачи кадра. Если максимально возможное время передачи пакета превышается (с некоторым запасом), то эта схема просто отсоединяет выход передатчика от кабеля. Максимальное время передачи кадра (вместе с преамбулой) равно 1221 мкс, а время jabber-контроля устанавливается равным 4000 мкс (4 мс).
Упрощенная структурная схема трансивера показана на рис. 3.8. Передатчик и приемник присоединяются к одной точке кабеля с помощью специальной схемы, например трансформаторной, позволяющей организовать одновременную передачу и прием сигналов с кабеля.
Детектор коллизий определяет наличие коллизии в коаксиальном кабеле по повышенному уровню постоянной составляющей сигналов. Если постоянная составляющая превышает определенный порог (около 1,5 В), значит, на кабель работает более одного передатчика. Развязывающие элементы (РЭ) обеспечивают гальваническую развязку трансивера от остальной части сетевого адаптера и тем самым защищают адаптер и компьютер от значительных перепадов напряжения, возникающих на кабеле при его повреждении.
Рис. 3.8. Структурная схема трансивера
Стандарт 10Ваsе-5 определяет возможность использования в сети специального устройства — повторителя (repeator). Повторитель служит для объединения в одну сеть нескольких сегментов кабеля и увеличения тем самым общей длины сети.
Повторитель принимает сигналы из одного сегмента кабеля и побитно синхронно
повторяет их в другом сегменте, улучшая форму и мощность импульсов, а также синхронизируя импульсы. Повторитель состоит из двух (или нескольких) трансиверов, которые присоединяются к сегментам кабеля, а также блока повторения со своим тактовым генератором. Для лучшей синхроннизации передаваемых бит повторитель задерживает передачу нескольких первых бит преамбулы кадра, за счет чего увеличивается задержка передачи кадра с сегмента на сегмент, а также несколько уменьшается межкадровый интервал IРG.
Стандарт разрешает использование в сети не более 4 повторителей и, соответственно, не более 5 сегментов кабеля. При максимальной длине сегмента кабеля в 500 м это дает максимальную длину сети ЮВазе-5 в 2500 м. Только 3 сегмента из 5 могут быть нагруженными, то есть такими, к которым подключаются конечные узлы. Между нагруженными сегментами должны быть ненагруженные сегменты,
так что максимальная конфигурация сети представляет собой два нагруженных крайних сегмента, которые соединяются ненагруженными сегментами еще с одним центральным нагруженным сегментом. На рис. 3.7 был приведен пример сети Еthеrnеt , состоящей из трех сегментов, объединенных двумя повторителями. Крайние сегменты являются нагруженными, а промежуточный — ненагруженным.
Правило применения повторителей в сети Еthеrnеt 10Ваsе-5 носит название «правило 5-4-3»: 5 сегментов, 4 повторителя, 3 нагруженных сегмента. Ограниченное число повторителей объясняется дополнительными задержками распространения сигнала, которые они вносят. Применение повторителей увеличивает время двойного распространения сигнала, которое для надежного распознавания коллизий не должно превышать время передачи кадра минимальной длины, то есть кадра в 72 байт или 576 бит.
Каждый повторитель подключается к сегменту одним своим трансивером, поэтому к нагруженным сегментам можно подключить не более 99 узлов. Максимальное число конечных узлов в сети 10Ваsе-5 таким образом составляет 99x3 = 297 узлов.
К достоинствам стандарта 10Ваsе-5 относятся:
• хорошая защищенность кабеля от внешних воздействий;
• сравнительно большое расстояние между узлами;
• возможность простого перемещения рабочей станции в пределах длины кабеля АUI.
Недостатками 10Ваsе-5 являются:
• высокая стоимость кабеля;
• сложность его прокладки из-за большой жесткости;
• потребность в специальном инструменте для заделки кабеля;
• останов работы всей сети при повреждении кабеля или плохом соединении;
• необходимость заранее предусмотреть подводку кабеля ко всем возможным местам установки компьютеров.
Стандарт 10 Ваsе-2
Стандарт 10Ваsе-2 использует в качестве передающей среды коаксиальный кабель с диаметром центрального медного провода 0,89 мм и внешним диаметром около 5 мм («тонкий» Еthеrnеt). Кабель имеет волновое сопротивление 50 Ом. Такими характеристиками обладают кабели марок RG-58 /U, RG-58 А/U, RG-58 С/U).
Максимальная длина сегмента без повторителей составляет 185 м, сегмент должен иметь на концах согласующие терминаторы 50 Ом. Тонкий коаксиальный кабель дешевле толстого, из-за чего сети 10Ваsе-2 иногда называют сетями Сheapernet (от cheaper— более дешевый). Но за дешевизну кабеля приходится расплачиваться качеством — «тонкий» коаксиал обладает худшей помехозащищенностью, худшей
механической прочностью и более узкой полосой пропускания.
Станции подключаются к кабелю с помощью высокочастотного ВМС Т-коннектора, который представляет собой тройник, один отвод которого соединяется с сетевым адаптером, а два других — с двумя концами разрыва кабеля. Максимальное количество станций, подключаемых к одному сегменту, — 30. Минимальное расстояние между станциями —1м. Кабель «тонкого» коаксиала имеет разметку для подключения узлов с шагом в 1 м.
Стандарт 10Ваsе-2 также предусматривает использование повторителей, применение которых также должно соответствовать «правилу 5-4-3». В этом случае сеть будет иметь максимальную длину в 5x185 = 925 м. Очевидно, что это ограничение является более сильным, чем общее ограничение в 2500 метров.
ВНИМАНИЕ Для построения корректной сети Еthеrnеt нужно соблюсти много ограничений, причем некоторые из них относятся к одним и тем же параметрам сети - например, максимальная длина или максимальное количество компьютеров в сети должны удовлетворять одновременно нескольким разным условиям. Корректная сеть Еthеrnеt должна соответствовать всем требованиям, но на практике нужно удовлетворить только наиболее жесткие. Так, если в сети Еthеrnеt не должно быть более 1024 узлов, а стандарт 10Ваsе-2 ограничивает число нагруженных сегментов тремя, то общее количество узлов в сети 10Ваsе-2 не должно превышать 29x3 = 87. Менее жесткое ограничение в 1024 конечных узла в сети 10Вasе-2 никогда не достигается.
Стандарт 10Ваsе-2 очень близок к стандарту 10Ваsе-5. Но трансиверы в нем объединены с сетевыми адаптерами за счет того, что более гибкий тонкий коаксиальный кабель может быть подведен непосредственно к выходному разъему платы сетевого адаптера, установленной в шасси компьютера. Кабель в данном случае «висит» на сетевом адаптере, что затрудняет физическое перемещение компьютеров.
Типичный состав сети стандарта 10Ваsе-2, состоящей из одного сегмента кабеля, показан на рис. 3.9.
Риc. 3.9. Сеть стандарта 10Ваsе-2
Реализация этого стандарта на практике приводит к наиболее простому решению для кабельной сети, так как для соединения компьютеров требуются толькосетевые адаптеры, Т-коннекторы и терминаторы 50 Ом. Однако этот вид кабельных соединений наиболее сильно подвержен авариям и сбоям: кабель более восприимчив к помехам, чем «толстый» коаксиал, в моноканале имеется большое количество механических соединений (каждый Т-коннектор дает три механических соединения, два из которых имеют жизненно важное значение для всей сети), пользователи имеют доступ к разъемам и могут нарушить целостность моноканала. Кроме того, эстетика и эргономичность этого решения оставляют желать лучшего, так как от каждой станции через Т-коннектор отходят два довольно заметных провода, которые под столом часто образуют моток кабеля — запас, необходимый на случай даже небольшого перемещения рабочего места.
Общим недостатком стандартов 10Ваsе-5 и ЮВаsе- 2 является отсутствие оперативной информации о состоянии моноканала. Повреждение кабеля обнаруживается сразу же (сеть перестает работать), но для поиска отказавшего отрезка кабеля необходим специальный прибор — кабельный тестер.
Стандарт 10Ваsе-Т
Стандарт принят в 1991 году, как дополнение к существующему набору стандартов Еthеrnеt, и имеет обозначение 802.3i.
Сети 10Ваsе-Т используют в качестве среды две неэкранированные витые пары (Unshielded Twisted Pair, UTP). Многопарный кабель на основе неэкранированной витой пары категории 3 (категория определяет полосу пропускания кабеля, величину перекрестных наводок КЕХТ и некоторые другие параметры его качества) телефонные компании уже достаточно давно использовали для подключения телефонных аппаратов внутри зданий. Этот кабель носит также название Voice Gгаdе, говорящее о том, что он предназначен для передачи голоса.
Идея приспособить этот популярный вид кабеля для построения локальных сетей оказалась очень плодотворной, так как многие здания уже были оснащены нужной кабельной системой. Оставалось разработать способ подключения сетевых адаптеров и прочего коммуникационного оборудования к витой паре таким образом, чтобы изменения в сетевых адаптерах и программном обеспечении сетевых
операционных систем были бы минимальными по сравнению с сетями Еthеrnеt на коаксиале. Это удалось, поэтому переход на витую пару требует только замены трансивера сетевого адаптера или порта маршрутизатора, а метод доступа и все протоколы канального уровня остались теми же, что и в сетях Еthеrnеt на коаксиале.
Конечные узлы соединяются по топологии «точка-точка» со специальным устройством — многопортовым повторителем с помощью двух витых пар. Одна витая пара требуется для передачи данных от станции к повторителю (выход Тх сетевого адаптера), а другая — для передачи данных от повторителя к станции (вход Rх сетевого адаптера). На рис. 3.10 показан пример трехпортового повторителя. Повторитель принимает сигналы от одного из конечных узлов и синхронно передает их на все свои остальные порты, кроме того, с которого поступили сигналы.
Многопортовые повторители в данном случае обычно называются концентраторами (англоязычные термины — hub или соnсеntrator). Концентратор осуществляет функции повторителя сигналов на всех отрезках витых пар, подключенных к его портам, так что образуется единая среда передачи данных — логический моноканал (логическая общая шина). Повторитель обнаруживает коллизию в сегменте
в случае одновременной передачи сигналов по нескольким своим Rх-входам и посылает jam-последовательность на все свои Тх-выходы. Стандарт определяет битовую скорость передачи данных 10 Мбит/с и максимальное расстояние отрезка витой пары между двумя непосредственно связанными узлами (станциями и концентраторами) не более 100 м при наличии витой пары качества не ниже категории 3. Это
расстояние определяется полосой пропускания витой пары — на длине 100 м она позволяет передавать данные со скоростью 10 Мбит/с при использовании манчестерского кода.
Рис. 3.10. Сеть стандарта 10Ваsе-Т: Тх - передатчик; Rх – приемник
Концентраторы 10Ваsе-Т можно соединять друг с другом с помощью тех же портов, которые предназначены для подключения конечных узлов. При этом нужно позаботиться о том, чтобы передатчик и приемник одного порта были соединены соответственно с приемником и передатчиком другого порта.
Риc. 3.11. Иерархическое соединение концентраторов Еthеrnеt
Для обеспечения синхронизации станций при реализации процедур доступа СSМА/СD и надежного распознавания станциями коллизий в стандарте определено максимально число концентраторов между любыми двумя станциями сети, а именно 4. Это правило носит название «правила 4-х хабов» и оно заменяет «правило 5-4-3», применяемое к коаксиальным сетям. При создании сети 10Ваsе-Т с большим числом станций концентраторы можно соединять друг с другом иерархическим способом, образуя древовидную структуру (рис. 3.11).
ВНИМАНИЕ Петлевидное соединение концентраторов в стандарте 10Ваsе-Т запрещено, так как оно приводит к некорректной работе сети. Это требование означает, что в сети 10Ваsе-Т не разрешается создавать параллельные каналы связи между критически важными концентраторами для резервирования связей на случай отказа порта, концентратора или кабеля.
Резервирование связей возможно только за счет перевода одной из параллельных связей в неактивное (заблокированное) состояние.
Общее количество станций в сети 10Ваsе-Т не должно превышать общего предела в 1024, и для данного типа физического уровня это количество действительно можно достичь. Для этого достаточно создать двухуровневую иерархию концентраторов, расположив на нижнем уровне достаточное количество концентраторов с общим количеством портов 1024 (рис. 3.12). Конечные узлы нужно подключить к
портам концентраторов нижнего уровня. Правило 4-х хабов при этом выполняется — между любыми конечными узлами будет ровно 3 концентратора.
Рис. 3.12. Схема с максимальным количеством станций
Максимальная длина сети в 2500 м здесь понимается как максимальное расстояние между любыми двумя конечными узлами сети (часто применяется также термин «максимальный диаметр сети»). Очевидно, что если между любыми двумя узлами сети не должно быть больше 4-х повторителей, то максимальный диаметр сети 10Ваsе-Т составляет 5x100 = 500 м.
Сети, построенные на основе стандарта 10Ваsе-Т, обладают по сравнению с коаксиальными вариантами Еthеrnеt многими преимуществами. Эти преимущества связаны с разделением общего физического кабеля на отдельные кабельные отрезки, подключенные к центральному коммуникационному устройству. И хотя логически эти отрезки по-прежнему образуют общую разделяемую среду, их физическое разделение позволяет контролировать их состояние и отключать в случае обрыва, короткого замыкания или неисправности сетевого адаптера на индивидуальной основе. Это обстоятельство существенно облегчает эксплуатацию больших сетей Еthеrnеt, так как концентратор обычно автоматически выполняет такие функции, уведомляя при этом администратора сети о возникшей проблеме.
В стандарте 10Ваsе-Т определена процедура тестирования физической работоспособности двух отрезков витой пары, соединяющих трансивер конечного узла и порт повторителя. Эта процедура называется тестом связности
(link test), и она основана на передаче каждые 16 мс специальных импульсов J и К манчестерского
кода между передатчиком и приемником каждой витой пары. Если тест не проходит, то порт блокируется и отключает проблемный узел от сети. Так как коды J и К являются запрещенными при передаче кадров, то тестовые последовательности не влияют на работу алгоритма доступа к среде.
Появление между конечными узлами активного устройства, которое может контролировать работу узлов и изолировать от сети некорректно работающие, является главным преимуществом технологии 10Ваsе-Т по сравнению со сложными в эксплуатации коаксиальными сетями. Благодаря концентраторам сеть Еthеrnеt приобрела некоторые черты отказоустойчивой системы.
Оптоволоконный Еthеrnеt
В качестве среды передачи данных 10 мегабитный Еthеrnеt использует оптическое волокно. Оптоволоконные стандарты в качестве основного типа кабеля рекомендуют достаточно дешевое многомодовое оптическое волокно, обладающее полосой пропускания 500-800 МГц при длине кабеля 1 км. Допустимо и более дорогое одномодовое оптическое волокно с полосой пропускания в несколько гигагерц, но при этом нужно применять специальный тип трансивера.
Функционально сеть Еthеrnеt на оптическом кабеле состоит из тех же элементов, что и сеть стандарта 10Ваsе-Т — сетевых адаптеров, многопортового повторителя и отрезков кабеля, соединяющих адаптер с портом повторителя. Как и в случае витой пары, для соединения адаптера с повторителем используются два оптоволокна — одно соединяет выход Тх адаптера со входом Rх повторителя, а другое - вход Rх адаптера с выходом Тх повторителя.
Стандарт FOIRL (Fiber Optic Inter-Repeater Link) представляет, собой первый стандарт комитета 802.3 для использования оптоволокна в сетях Еthеrnеt . Он гарантирует длину оптоволоконной связи между повторителями до 1 км при общей длине сети не более 2500 м. Максимальное число повторителей между любыми узлами сети — 4. Максимального диаметра в 2500 м здесь достичь можно, хотя максимальные отрезки кабеля между всеми 4 повторителями, а также между повторителями и конечными узлами недопустимы — иначе получится сеть длиной 5000 м.
Стандарт 10Ваsе- FL представляет собой незначительное улучшение стандарта FOIRL. Увеличена мощность передатчиков, поэтому максимальное расстояние между узлом и концентратором увеличилось до 2000 м. Максимальное число повторителей между узлами осталось равным 4, а максимальная длина сети — 2500 м.
Стандарт 10ВаSе-FВ предназначен только для соединения повторителей. Конечные узлы не могут использовать этот стандарт для присоединения к портам концентратора. Между узлами сети можно установить до 5 повторителей 10Ваsе-FВ при максимальной длине одного сегмента 2000 м и максимальной длине сети 2740 м.
Повторители, соединенные по стандарту 10Ваsе-FВ, при отсутствии кадров для передачи постоянно обмениваются специальными последовательностями сигналов, отличающимися от сигналов кадров данных, для поддержания синхронизации. Поэтому они вносят меньшие задержки при передаче данных из одного сегмента в другой, и это является главной причиной, по которой количество повторителей удалось увеличить до 5. В качестве специальных сигналов используются манчестерские коды J и К в следующей последовательности: J-J-К-К-J-J... Эта последовательность порождает импульсы частоты 2,5 МГц, которые и поддерживают синхронизацию приемника одного концентратора с передатчиком другого. Поэтому стандарт 10Ваsе-FB имеет также название синхронный Еthеrnеt .
Как и в стандарте 10Вазе-Т, оптоволоконные стандарты Еthеrnеt разрешают соединять концентраторы только в древовидные иерархические структуры. Любые петли между портами концентраторов не допускаются.
Из рисунка видно, что это
Кадр Raw 802.3, называемый также кадром Novell 802.3, представлен на рис. 3.6. Из рисунка видно, что это кадр подуровня МАС стандарта 802.3, но без вложенного кадра подуровня LLС. Компания Nоvеll долгое время не использовала служебные поля кадра LLС в своей операционной системе NetWare из-за отсутствия необходимости идентифицировать тип информации, вложенной в поле данных, — там всегда находился пакет протокола 1РХ, долгое время бывшего единственным протоколом сетевого уровня в ОС NetWare.
Теперь, когда необходимость идентификации протокола верхнего уровня появилась, компания Novell стала использовать возможность инкапсуляции в кадр подуровня МАС кадра LLС, то есть использовать стандартные кадры 802.3/LLС. Такой кадр компания обозначает теперь в своих операционных системах как кадр 802.2, хотя он является комбинацией заголовков 802.3 и 802.2.
Кадр Еthеrnеt DIX/ Еthеrnеt II
Кадр Еthеrnеt DIX, называемый также кадром Еthеrnеt II, имеет структуру (см. рис. 3.6), совпадающую со структурой кадра Rаw 802.3. Однако 2-байтовое поле Длина (L) кадра Rаw 802.3 в кадре Еthеrnеt DIX используется в качестве поля типа протокола. Это поле, теперь получившее название Туре (Т) или ЕthеrТуре, предназначено для тех же целей, что и поля DSАР и SSАР кадра LLС — для указания типа протокола верхнего уровня, вложившего свой пакет в поле данных этого кадра.
В то время как коды протоколов в полях SАР имеют длину в один байт, в поле Туре для кода протокола отводятся 2 байта. Поэтому один и тот же протокол в поле SАР и поле Туре будет кодироваться в общем случае разными числовыми значениями. Например, протокол IР имеет код 204810 (0x0800) для поля ЕthеrТуре и значение 6 для поля SАР. Значения кодов протоколов для поля ЕthеrТуре появились раньше значений SАР, так как фирменная версия Еthеrnеt DIХ существовала до появления стандарта 802.3, и ко времени распространения оборудования 802.3 уже стали стандартами де-факто для многих аппаратных и программных продуктов. Так как структуры кадров Еthеrnеt DIХ и Rаw 802.3 совпадают, то поле длины/типа часто в документации обозначают как поле L/Т.
Многомодовый кабель
Для передачи данных по традиционному для компьютерных сетей многомодовому волоконно-оптическому кабелю стандарт определяет применение излучателей, работающих на двух длинах волн: 1300 и 850 нм. Применение светодиодов с длиной волны 850 нм объясняется тем, что они намного дешевле, чем светодиоды, работающие на волне 1300 нм, хотя при этом максимальная длина кабеля уменьшается,так как затухание многомодового оптоволокна на волне 850 м более чем в два раза выше, чем на волне 1300 нм. Однако возможность удешевления чрезвычайно важна для такой в целом дорогой технологии, как Gigabit Ethernet.
Для многомодового оптоволокна стандарт 802.Зz определил спецификации 1000Ваsе-SХ и 1000Ваsе-LХ.
В первом случае используется длина волны 850 нм (S означает Shoft
Wavelength,короткая волна), а во втором — 1300 нм (L — от Long Wavelength, длинная волна).
Для спецификации 1000Ваsе-SХ предельная длина оптоволоконного сегмента для кабеля 62,5/125 оставляет 220 м, а для кабеля 50/125 — 500 м. Очевидно, что эти максимальные значения могут достигаться только для полнодуплексной передачи данных, так как время двойного оборота сигнала на двух отрезках 220 м равно 4400 bt, что превосходит предел 4095 bt даже без учета повторителя и сетевых адаптеров. Для полудуплексной передачи максимальные значения сегментов оптоволоконного кабеля всегда должны быть меньше 100 м. Приведенные расстояния в 220 и 500 м рассчитаны для худшего по стандарту случая полосы пропускания многомодового кабеля, находящегося в пределах от 160 до 500 МГц/км. Реальные кабели обычно обладают значительно лучшими характеристиками, находящимися между 600 и 1000 МГц/км. В этом случае можно увеличить длину кабеля до примерно 800 м.
Одномодовый кабель
Для спецификации 1000Ваsе-LХ в качестве источника излучения всегда применяется полупроводниковый лазер с длиной волны 1300 нм.
Основная область применения стандарта 1000Ваsе-LХ — это одномодовое оптоволокно. Максимальная длина кабеля для одномодового волокна равна 5000 м.
Спецификация 1000Вазе-LХ может работать и на многомодовом кабеле. В этом случае предельное расстояние получается небольшим — 550 м. Это связано с особенностями распространения когерентного света в широком канале многомодового кабеля. Для присоединения лазерного трансивера к многомодовому кабелю необходимо использовать специальный адаптер.
Ограничения длин сегментов DТЕ-DТЕ
В качестве DТЕ (Dаtа ТеrminalEquipment) может выступать любой источник кадров данных для сети: сетевой адаптер, порт моста, порт маршрутизатора, модуль управления сетью и другие подобные устройства. Отличительной особенностью DТЕ является то, что он вырабатывает новый кадр для разделяемого сегмента (мост или коммутатор, хотя и передают через выходной порт кадр, который выработал в свое время сетевой адаптер, но для сегмента сети, к которому подключен выходной порт, этот кадр является новым). Порт повторителя не является DТЕ, так как он побитно повторяет уже появившийся в сегменте кадр.
В типичной конфигурации сети Fast
Ethernet несколько DТЕ подключается к портам повторителя, образуя сеть звездообразной топологии. Соединения DТЕ-DТЕ в разделяемых сегментах не встречаются (если исключить экзотическую конфигурацию, когда сетевые адаптеры двух компьютеров соединены прямо друг с другом кабелем), а вот для мостов/коммутаторов и маршрутизаторов такие соединения являются нормой — когда сетевой адаптер прямо соединен с портом одного из этих устройств, либо эти устройства соединяются друг с другом.
Спецификация IЕЕЕ 802.3u определяет следующие максимальные длины сегментов DТЕ-DТЕ, приведенные в табл. 3.8.
Таблица 3.8. Максимальные длины сегментов DТЕ-DТЕ
Стандарт Тип кабеля Максимальная длина сегмента
 100Ваsе-FХ Многомодовое 412 м (полудуплекс) оптоволокно 2 км (полный дуплекс) 62,5/125 мкм 100Ваsе-Т4 Категория 3, 4 или 5UTP 100 м |
Ограничения сетей Fast Ethernet, построенных на повторителях
Повторители Fast Ethernet делятся на два класса. Повторители класса I поддерживают все типы логического кодирования данных: как 4В/5В, так и 8В/6Т.
Повторители класса II поддерживают только какой-либо один тип логического кодирования — либо 4В/5В, либо 8В/6Т. То есть повторители класса I позволяют выполнять трансляцию логических кодов с битовой скоростью 100 Мбит/с, а повторителям класса II эта операция недоступна.
Поэтому повторители класса I могут иметь порты всех трех типов физического уровня: 100Ваsе-ТХ, 100Ваsе-FХ и 100Ваsе-Т4. Повторители класса II имеют либо все порты 100Ваsе-Т4, либо порты 100Ваsе-ТХ и 100Ваsе-FХ, так как последние используют один логический код 4В/5В.
В одном домене коллизий допускается наличие только одного повторителя класса I. Это связано с тем, что такой повторитель вносит большую задержку при распространении сигналов из-за необходимости трансляции различных систем сигнализации — 70 bt.
Повторители класса II вносят меньшую задержку при передаче сигналов: 46 bt для портов ТХ/FХ и 33,5 bt для портов Т4. Поэтому максимальное число повторителей класса II в домене коллизий — 2, причем они должны быть соединены между собой кабелем не длиннее 5 метров.
Небольшое количество повторителей Fast Ethernet не является серьезным препятствием при построении больших сетей, так как применение коммутаторов и маршрутизаторов делит сеть на несколько доменов коллизий, каждый из которых будет строиться на одном или двух повторителях. Общая длина сети не будет иметь в этом случае ограничений.
В табл. 3.9 приведены правила построения сети на основе повторителей класса I.
Таблица 3.9. Параметры сетей на основе повторителей класса I
Тип кабелей Максимальный диаметр сети, м Максимальная длина сегмента, м Только оптоволокно (РХ) 272 136 Несколько сегментов 260 100 (ТХ) на витой паре и один 160 (РХ) на оптоволокне Несколько сегментов 272 100 (ТХ) на витой паре и несколько 136 (РХ) сегментов на оптоволокне |
Эти ограничения проиллюстрированы типовыми конфигурациями сетей, показанными на рис. 3.24.
Риc. 3.24. Примеры построения сети Fast
Ethernet с помощью повторителей класса I
Таким образом, правило 4-х хабов превратилось для технологии Fast Ethernet в правило одного или двух хабов, в зависимости от класса хаба.
При определении корректности конфигурации сети можно не руководствоваться правилами одного или двух хабов, а рассчитывать время двойного оборота сети, как это было показано выше для сети Ethernet 10 Мбит/с.
Как и для технологии Ethernet 10 Мбит/с, комитет 802.3 дает исходные данные для расчета времени двойного оборота сигнала. Однако при этом сама форма представления этих данных и методика расчета несколько изменились. Комитет предоставляет данные об удвоенных задержках, вносимых каждым элементом сети, не разделяя сегменты сети на левый, правый и промежуточный. Кроме того, задержки, вносимые сетевыми адаптерами, учитывают преамбулы кадров, поэтому время двойного оборота нужно сравнивать с величиной 512 битовых интервала (bt), то есть со временем передачи кадра минимальной длины без преамбулы.
Для повторителей класса I время двойного оборота можно рассчитать следующим образом.
Задержки, вносимые прохождением сигналов по кабелю, рассчитываются на основании данных табл. 3.10, в которой учитывается удвоенное прохождение сигнала по кабелю.
Таблица 3.10. Задержки, вносимые кабелем
|
Тип кабеля Удвоенная задержка Удвоенная задержка на кабеле на 1 м максимальной длины UTP Саt 4 1,14 bt 114 bt (100 м) UTP Саt 5 1,112 bt: 111,2 bt (100 м) SТР 1,112 bt: 111,2 bt (100 м) Оптоволокно 1,0 bt 412 bt: (412 м) |
Задержки, которые вносят два взаимодействующих через повторитель сетевых
адаптера (или порта коммутатора), берутся из табл. 3.11.
Таблица 3.11. Задержки, вносимые сетевыми адаптерами
Тип сетевых адаптеров Максимальная задержка при двойном обороте Два адаптера Т4 138 bt Один адаптер ТХ/FХ 127 bt и один Т4 |
рекомендует оставлять запас в 4 bt для устойчиво работающей сети, но разрешает выбирать эту величину из диапазона от 0 до 5 bt;.
Рассчитаем для примера рекомендуемую в таблице конфигурацию сети, состоящую из одного повторителя и двух оптоволоконных сегментов длиной по 136 метров.
Каждый сегмент вносит задержку по 136 bt, пара сетевых адаптеров FХ дает задержку в 100 bt, а сам повторитель вносит задержку в 140 bt. Сумма задержек равна 512 bt, что говорит о том, что сеть корректна, но запас принят равным 0.
Технология Еthеrnеt (802.3)
3.3. Технология Еthеrnеt (802.3)
Еthеrnеt — это самый распространенный на сегодняшний день стандарт локальных сетей. Общее количество сетей, работающих по протоколу Еthеrnеt в настоящее время, оценивается в 5 миллионов, а количество компьютеров с установленными сетевыми адаптерами Еthеrnеt — в 50 миллионов.
Когда говорят Еthеrnеt, то под этим обычно понимают любой из вариантов этой технологии. В более узком смысле Еthеrnеt — это сетевой стандарт, основанный на экспериментальной сети Еthеrnеt Network, которую фирма Хегох разработала и реализовала в 1975 году. Метод доступа был опробован еще раньше: во второй половине 60-х годов в радиосети Гавайского университета использовались различные варианты
случайного доступа к общей радиосреде, получившие общее название Аloha. В 1980 году фирмы DЕС, Intel и Хегох совместно разработали и опубликовали стандарт Еthеrnеt версии II для сети, построенной на основе коаксиального кабеля, который стал последней версией фирменного стандарта Еthеrnеt. Поэтому фирменную версию стандарта Еthеrnеt называют стандартом Еthеrnеt DIХ или Еthеrnеt II.
На основе стандарта Еthеrnеt DIX был разработан стандарт IЕЕЕ 802.3, который во многом совпадает со своим предшественником, но некоторые различия все же имеются. В то время как в стандарте IEЕЕ 802.3 различаются уровни МАС и LLС, в оригинальном Еthеrnеt оба эти уровня объединены в единый канальный
уровень. В Еthеrnеt DIХ определяется протокол тестирования конфигурации (Еthеrnеt Configuration Test Protocol), который отсутствует в IЕЕ 802.3. Несколько отличается и формат кадра, хотя минимальные и максимальные размеры кадров в этих стандартах совпадают. Часто для того, чтобы отличить Еthеrnеt, определенный стандартом IЕЕ, и фирменный Еthеrnеt DIХ, первый называют технологией 802.3, а за фирменным оставляют название Еthеrnеt без дополнительных обозначений.
В зависимости от типа физической среды стандарт IЕЕ 802.3 имеет различные
модификации - 10Ваsе-5, 10Ваsе-2, 10Ваsе-Т, 10Ваsе-FL, 10ВаSе-FВ.
В 1995 году был принят стандарт Fаst Еthеrnеt, который во многом не является самостоятельным стандартом, о чем говорит и тот факт, что его описание просто является дополнительным разделом к основному стандарту 802.3 — разделом 802.3u. Аналогично, принятый в 1998 году стандарт Gigabit Еthеrnеt описан в разделе 802.3z основного документа.
Для передачи двоичной информации по кабелю для всех вариантов физического уровня технологии Еthеrnеt, обеспечивающих пропускную способность 10 Мбит/с, используется манчестерский код.
Все виды стандартов Еthеrnеt (в том числе Fast Еthеrnеt и Gigabit Еthеrnеt) используют один и тот же метод разделения среды передачи данных — метод СSМА/СD.
3.3.1. Метод доступа СSМА/СD
В сетях Еthеrnеt используется метод доступа к среде передачи данных, называемый методом коллективного доступа с опознаванием несущей и обнаружением коллизий (саrrier-sense-multiply-access with collision detection, СSМА/СD).
Этот метод применяется исключительно в сетях с логической общей шиной (к которым относятся и радиосети, породившие этот метод). Все компьютеры такой сети имеют непосредственный доступ к общей шине, поэтому она может быть использована для передачи данных между любыми двумя узлами сети. Одновременно все компьютеры сети имеют возможность немедленно (с учетом задержки распространения сигнала по физической среде) получить данные, которые любой из компьютеров начал передавать на общую шину (рис. 3.3). Простота схемы подключения — это один из факторов, определивших успех стандарта Еthеrnеt. Говорят, что кабель, к которому подключены все станции, работает в режиме коллективного доступа (Мultiply Access,МА).
Риc. 3.3. Метод случайного доступа С5МА/СО
Этапы доступа к среде
Все данные, передаваемые по сети, помещаются в кадры определенной структуры и снабжаются уникальным адресом станции назначения.
Чтобы получить возможность передавать кадр, станция должна убедиться, что разделяемая среда свободна. Это достигается прослушиванием основной гармоники сигнала, которая также называется несущей частотой (саrrier-sense, СS).
Признаком незанятости среды является отсутствие на ней несущей частоты, которая при манчестерском способе кодирования равна 5-10 МГц, в зависимости от последовательности единиц и нулей, передаваемых в данный момент.
Если среда свободна, то узел имеет право начать передачу кадра. Этот кадр изображен на рис. 3.3 первым. Узел 1 обнаружил, что среда свободна, и начал передавать свой кадр. В классической сети Еthеrnеt на коаксиальном кабеле сигналы передатчика узла 1 распространяются в обе стороны, так что все узлы сети их получают. Кадр данных всегда сопровождается преамбулой
(preamble), которая состоит из 7 байт, состоящих из значений 10101010, и 8-го байта, равного 10101011. Преамбула нужна для вхождения приемника в побитовый и побайтовый синхронизм с передатчиком.
Все станции, подключенные к кабелю, могут распознать факт передачи кадра, и та станция, которая узнает собственный адрес в заголовках кадра, записывает его содержимое в свой внутренний буфер, обрабатывает полученные данные, передает их вверх по своему стеку, а затем посылает по кабелю кадр-ответ. Адрес станции источника содержится в исходном кадре, поэтому станция-получатель знает, кому
нужно послать ответ.
Узел 2 во время передачи кадра узлом 1 также пытался начать передачу своего кадра, однако обнаружил, что среда занята — на ней присутствует несущая частота, — поэтому узел 2 вынужден ждать, пока узел 1 не прекратит передачу кадра.
После окончания передачи кадра все узлы сети обязаны выдержать технологическую паузу (Intеr Packet Gар) в 9,6 мкс. Эта пауза, называемая также межкадровым интервалом, нужна для приведения сетевых адаптеров в исходное состояние, а также для предотвращения монопольного захвата среды одной станцией. После окончания технологической паузы узлы имеют право начать передачу своего кадра, так как среда свободна. Из-за задержек распространения сигнала по кабелю не все узлы строго одновременно фиксируют факт окончания передачи кадра узлом 1.
В приведенном примере узел 2 дождался окончания передачи кадра узлом 1, сделал паузу в 9,6 мкс и начал передачу своего кадра.
Твинаксиальный кабель
В качестве среды передачи данных используется высококачественный твинаксиальный кабель (Тwinах) с волновым сопротивлением 150 Ом (2x75 Ом). Данные посылаются одновременно по паре проводников, каждый из которых окружен экранирующей оплеткой. При этом получается режим полудуплексной передачи. Для обеспечения полнодуплексной передачи необходимы еще две пары коаксиальных
проводников. Начал выпускаться специальный кабель, который содержит четыре коаксиальных проводника — так называемый Quad-кабель. Он внешне напоминает кабель категории 5 и имеет близкий к нему внешний диаметр и гибкость. Максимальная длина твинаксиального сегмента составляет всего 25 метров, поэтому это решение подходит для оборудования, расположенного в одной комнате.
3.7.4.Gigabit Ethernet на витой паре категории 5
Как известно, каждая пара кабеля категории 5 имеет гарантированную полосу пропускания до 100 МГц. Для передачи по такому кабелю данных со скоростью 1000 Мбит/с было решено организовать параллельную передачу одновременно по всем 4 парам кабеля (так же, как и в технологии 100VG-АnyLAN).
Это сразу уменьшило скорость передачи данных по каждой паре до 250 Мбит/с. Однако и для такой скорости необходимо было придумать метод кодирования, который имел бы спектр не выше 100 МГц. Кроме того, одновременное использование четырех пар на первый взгляд лишает сеть возможность распознавать коллизии.
На оба эти вопроса комитет 802.3аb нашел ответы.
Для кодирования данных был применен код РАМ5, использующий 5 уровней потенциала: -2, -1,0, +1, +2. Поэтому за один такт по одной паре передается 2,322 бит информации. Следовательно, тактовую частоту вместо 250 МГц можно снизить до 125 МГц. При этом если использовать не все коды, а передавать 8 бит за такт (по 4 парам), то выдерживается требуемая скорость передачи в 1000 Мбит/с и еще остается запас неиспользуемых кодов, так как код РАМ5 содержит 54 = 625 комбинаций, а если передавать за один такт по всем четырем парам 8 бит данных, то для этого требуется всего 28 = 256 комбинаций.
Оставшиеся комбинации приемник может использовать для контроля принимаемой информации и выделения правильных комбинаций на фоне шума. Код РАМ5 на тактовой частоте 125 МГц укладывается в полосу 100 МГц кабеля категории 5.
Для распознавания коллизий и организации полнодуплексного режима разработчики спецификации 802.3аb применили технику, используемую при организации дуплексного режима на одной паре проводов в современных модемах и аппаратуре передачи данных абонентских окончаний ISDN. Вместо передачи по
разным парам проводов или разнесения сигналов двух одновременно работающих навстречу передатчиков по диапазону частот оба передатчика работают навстречу друг другу по каждой из 4-х пар в одном и том же диапазоне частот, так как используют один и тот же потенциальный код РАМ5 (рис. 3.26). Схема гибридной
развязки Н позволяет приемнику и передатчику одного и того же узла использовать одновременно витую пару и для приема и для передачи (так же, как и в трансиверах коаксиального Ethernet ).
Риc. 3.26.
Двунаправленная передача по четырем парам UТР категории 5
Для отделения принимаемого сигнала от своего собственного приемник вычитает из результирующего сигнала известный ему свой сигнал. Естественно, что это не простая операция и для ее выполнения используются специальные цифровые сигнальные процессоры — DSР (Digital Signal Processor). Такая техника уже прошла проверку практикой, но в модемах и сетях ISDN она применялась совсем на
других скоростях.
При полудуплексном режиме работы получение встречного потока данных считается коллизией, а для полнодуплексного режима работы — нормальной ситуацией.
Ввиду того что работы по стандартизации спецификации Gigabit Ethernet на неэкранированной витой паре категории 5 подходят к концу, многие производители и потребители надеются на положительный исход этой работы, так как в этом случае для поддержки технологии СИ§аЫ1 Е1Ьегпе1 не нужно будет заменять уже установленную проводку категории 5 на оптоволокно или проводку категории 7.
Вопросы и упражнения
1. Поясните разницу между расширяемостью и масштабируемостью на примере технологии Ethernet.
2. Что такое коллизия:
· (А) ситуация, когда станция, желающая передать пакет, обнаруживает, что в данный момент другая станция уже заняла передающую среду;
· (В) ситуация, когда две рабочие станции одновременно передают данные в разделяемую передающую среду.
3. Что такое домен коллизий? Являются ли доменами коллизий фрагменты сети, показанные на рис. 3.27?
4. В чем состоят функции преамбулы и начального ограничителя кадра в стандарте Ethernet ?
5. Какие сетевые средства осуществляют jabber control?
6. Чему равны значения следующих характеристик стандарта 10Ваsе-5:
• номинальная пропускная способность (бит/с);
• эффективная пропускная способность (бит/с);
• пропускная способность (кадр/с);
• внутрипакетная скорость передачи (бит/с);
• межбитовый интервал (с).
7. Чем объясняется, что минимальный размер кадра в стандарте 10Ваsе-5 был выбран равным 64 байт?
Рис. 3.27. Домены коллизий
8. Поясните смысл каждого поля кадра Ethernet.
9. Как известно, имеются 4 стандарта на формат кадров Ethernet . Выберите из ниже приведенного списка названия для каждого из этих стандартов. Учтите, что некоторые стандарты имеют несколько названий:
• Novell 802.2;
• Ethernet II;
• 802.3/802.2
• Novell 802.3;
• Rаw 802.3;
• Ethernet DIХ;
• 802.3/LLС;
• Ethernet SNАР.
10. Что может произойти в сети, в которой передаются кадры Ethernet разных форматов?
11. При каких типах ошибок в сети Ethernet концентратор обычно отключает порт?
12. Как величина МТU влияет на работу сети? Какие проблемы несут слишком длинные кадры? В чем состоит неэффективность коротких кадров?
13. Как коэффициент использования влияет на производительность сети Ethernet?
14. Если один вариант технологии Ethernet имеет более высокую скорость передачи данных, чем другой (например, Fast Ethernet и Ethernet ), то какая из них поддерживает большую максимальную длину сети?
15. Из каких соображений выбрана максимальная длина физического сегмента в стандартах Ethernet ?
16. Проверьте корректность конфигурации сети Fast Ethernet , приведенной на рис. 3.28.
Риc. 3.28. Пример конфигурации сети
17. Укажите максимально допустимые значения МТU для:
• Ethernet;
• Тоken Ring;
• FDDI;
• АТМ.
18. Опишите алгоритм доступа к среде технологии Тоken Ring.
19. Из каких соображений выбирается максимальное время оборота маркера по кольцу?
20. Если бы вам пришлось выбирать, какую из технологий — Ethernet или Тоkеn Ring — использовать в сети вашего предприятия, какое решение вы бы приняли? Какие соображения привели бы в качестве обоснования этого решения?
21. В чем состоит сходство и различие технологий FDDI и Тоkеn Ring?
22. Какие элементы сети FDDI обеспечивают отказоустойчивость?
23. Технология FDDI является отказоустойчивой. Означает ли это, что при любом однократном обрыве кабеля сеть FDDI будет продолжать нормально работать?
24. К каким последствиям может привести двукратный обрыв кабеля в кольце FDDI?
25. Что общего в работе концентратора 100VG-АnyLAN и обычного моста?
26. Какие из ниже перечисленных пар сетевых технологий совместимы по форматам кадров и, следовательно, позволяют образовывать составную сеть без необходимости транслирования кадров:
• (А) FDDI - Ethernet;
• (В) Тоkеn Ring - Fast Ethernet;
• (С) Тоkеn Ring - 100VG-АnyLAN;
• (В) Ethernet — Fast Ethernet;
• (Е) Ethernet – 100VG-АnyLAN;
• (F) Тоkеn Ring - FDDI.
27. Из-за увеличения пропускной способности минимальный размер кадра в Gigabit Ethernet пришлось увеличить до 512 байт. В тех случаях, когда передаваемые данные не могут полностью заполнить поле данных кадра, оно дополняется до необходимой длины неким «заполнителем», который не несет полезной информации. Что предпринято в Gigabit Ethernet для сокращения накладных расходов, возникающих при передаче коротких данных?
28. С чем связано ограничение, известное как «правило 4-х хабов»?
Возникновение коллизии
При описанном подходе возможна ситуация, когда две станции одновременно пытаются передать кадр данных по общей среде. Механизм прослушивания среды и пауза между кадрами не гарантируют от возникновения такой ситуации, когда две или более станции одновременно решают, что среда свободна, и начинают передавать свои кадры. Говорят, что при этом происходит коллизия
(collision), так как содержимое обоих кадров сталкивается на общем кабеле и происходит искажение информации — методы кодирования, используемые в Еthеrnеt, не позволяют выделять сигналы каждой станции из общего сигнала.
__________________________________________________________________________________________
ПРИМЕЧАНИЕ Заметим, что зтот факт отражен в составляющей «Ваsе(band)», присутствующей в названиях всех физических протоколов технологии Еthеrnеt (например, 10Ваsе-2, 10Ваsе-Т и т. п.). Baseband network означает сеть с немодулированной передачей, в которой сообщения пересылаются в цифровой форме по единственному каналу, без частотного разделения.
_________________________________________________________________________________________
Коллизия — это нормальная ситуация в работе сетей Еthеrnеt. В примере, изображенном на рис. 3.4, коллизию породила одновременная передача данных узлами 3 и 1. Для возникновения коллизии не обязательно, чтобы несколько станций начали передачу абсолютно одновременно, такая ситуация маловероятна. Гораздо вероятней, что коллизия возникает из-за того, что один узел начинает передачу
раньше другого, но до второго узла сигналы первого просто не успевают дойти к тому времени, когда второй узел решает начать передачу своего кадра. То есть коллизии — это следствие распределенного характера сети.
Чтобы корректно обработать коллизию, все станции одновременно наблюдают за возникающими на кабеле сигналами. Если передаваемые и наблюдаемые сигналы отличаются, то фиксируется обнаружение коллизии (collision detection, СD).
Для увеличения вероятности скорейшего обнаружения коллизии всеми станциями сети станция, которая обнаружила коллизию, прерывает передачу своего кадра (в произвольном месте, возможно, и не на границе байта) и усиливает ситуацию коллизии посылкой в сеть специальной последовательности из 32 бит, называемой jam-последователъностъю.
После этого обнаружившая коллизию передающая станция обязана прекратить передачу и сделать паузу в течение короткого случайного интервала времени. Затем она может снова предпринять попытку захвата среды и передачи кадра. Случайная пауза выбирается по следующему алгоритму:
Пауза = L х (интервал отсрочки),
где интервал отсрочки равен 512 битовым интервалам (в технологии Еthеrnеt , принято все интервалы измерять в битовых интервалах; битовый интервал обозначается как bt и соответствует времени между появлением двух последовательных бит данных на кабеле; для скорости 10 Мбит/с величина битового интервала равна 0,1 мкс или 100 нc);
Риc. 3.4. Схема возникновения и распространения коллизии
L
представляет собой целое число, выбранное с равной вероятностью из диапазона [0, 2N], где N — номер повторной попытки передачи данного кадра: 1,2,..., 10.
После 10-й попытки интервал, из которого выбирается пауза, не увеличивается. Таким образом, случайная пауза может принимать значения от 0 до 52,4 мс.
Если 16 последовательных попыток передачи кадра вызывают коллизию, то передатчик должен прекратить попытки и отбросить этот кадр.
Из описания метода доступа видно, что он носит вероятностный характер, и вероятность успешного получения в свое распоряжение общей среды зависит от загруженности сети, то есть от интенсивности возникновения в станциях потребности в передаче кадров. При разработке этого метода в конце 70-х годов предполагалось, что скорость передачи данных в 10 Мбит/с очень высока по сравнению с потребностями компьютеров во взаимном обмене данными, поэтому загрузка сети будет всегда небольшой. Это предположение остается иногда справедливым и по сей день, однако уже появились приложения, работающие в реальном масштабе времени с мультимедийной информацией, которые очень загружают сегменты Еthеrnеt .
При этом коллизии возникают гораздо чаще. При значительной интенсивности коллизий полезная пропускная способность сети Еthеrnеt резко падает, так как сеть почти постоянно занята повторными попытками передачи кадров. Для уменьшения интенсивности возникновения коллизий нужно либо уменьшить трафик, сократив, например, количество узлов в сегменте или заменив приложения, либо повысить скорость протокола, например перейти на Fast Еthеrnеt.
Следует отметить, что метод доступа СSМА/СD вообще не гарантирует станции, что она когда-либо сможет получить доступ к среде. Конечно, при небольшой загрузке сети вероятность такого события невелика, но при коэффициенте использования сети, приближающемся к 1, такое событие становится очень вероятным. Этот недостаток метода случайного доступа — плата за его чрезвычайную простоту, которая сделала технологию Еthеrnеt самой недорогой. Другие методы доступа — маркерный доступ сетей Токеn Ring и FDDI, метод Demand Priority сетей 100VG-АnуLAN — свободны от этого недостатка.
Время двойного оборота и распознавание коллизий
Четкое распознавание коллизий всеми станциями сети является необходимым условием корректной работы сети Еthеrnеt. Если какая-либо передающая станция не распознает коллизию и решит, что кадр данных ею передан верно, то этот кадр данных будет утерян. Из-за наложения сигналов при коллизии информация кадра исказится, и он будет отбракован принимающей станцией (возможно, из-за несов-
падения контрольной суммы). Скорее всего, искаженная информация будет повторно передана каким-либо протоколом верхнего уровня, например транспортным или прикладным, работающим с установлением соединения. Но повторная передача сообщения протоколами верхних уровней произойдет через значительно более длительный интервал времени (иногда даже через несколько секунд) по сравнению с
микросекундными интервалами, которыми оперирует протокол Еthеrnеt. Поэтому если коллизии не будут надежно распознаваться узлами сети Еthеrnеt, то это приведет к заметному снижению полезной пропускной способности данной сети.
Для надежного распознавания коллизий должно выполняться следующее соотношение:
Тmin ? РDV,
Где Тmin— время передачи кадра минимальной длины, а РDV — время, за которое сигнал коллизии успевает распространиться до самого дальнего узла сети. Так как в худшем случае сигнал должен пройти дважды между наиболее удаленными друг от друга станциями сети (в одну сторону проходит неискаженный сигнал, а на обратном пути распространяется уже искаженный коллизией сигнал), то это время называется временем двойного оборота (Рath Delay Value,PDV).
При выполнении этого условия передающая станция должна успевать обнаружить коллизию, которую вызвал переданный ее кадр, еще до того, как она закончит передачу этого кадра.
Очевидно, что выполнение этого условия зависит, с одной стороны, от длины минимального кадра и пропускной способности сети, а с другой стороны, от длины кабельной системы сети и скорости распространения сигнала в кабеле (для разных типов кабеля эта скорость несколько отличается).
Все параметры протокола Еthеrnеt подобраны таким образом, чтобы при нормальной работе узлов сети коллизии всегда четко распознавались. При выборе параметров, конечно, учитывалось и приведенное выше соотношение, связывающее между собой минимальную длину кадра и максимальное расстояние между
станциями в сегменте сети.
В стандарте Еthеrnеt принято, что минимальная длина поля данных кадра составляет 46 байт (что вместе со служебными полями дает минимальную длину кадра 64 байт, а вместе с преамбулой — 72 байт или 576 бит). Отсюда может быть определено ограничение на расстояние между станциями.
Итак, в 10-мегабитном Еthеrnеt время передачи кадра минимальной длины равно 575 битовых интервалов, следовательно, время двойного оборота должно быть меньше 57,5 икс. Расстояние, которое сигнал может пройти за это время, зависит от типа кабеля и для толстого коаксиального кабеля равно примерно 13 280 м. Учитывая, что за это время сигнал должен пройти по линии связи дважды, расстояние
между двумя узлами не должно быть больше 6 635 м.
В стандарте величина этого расстояния выбрана существенно меньше, с учетом других, более строгих ограничений.
Одно из таких ограничений связано с предельно допустимым затуханием сигнала. Для обеспечения необходимой мощности сигнала при его прохождении между наиболее удаленными друг от друга станциями сегмента кабеля максимальная длина непрерывного сегмента толстого коаксиального кабеля с учетом вносимого им затухания выбрана в 500 м. Очевидно, что на кабеле в 500 м условия распознавания
коллизий будут выполняться с большим запасом для кадров любой стандартной длины, в том числе и 72 байт (время двойного оборота по кабелю 500 м составляет всего 43,3 битовых интервала). Поэтому минимальная длина кадра могла бы быть установлена еще меньше. Однако разработчики технологии не стали уменьшать минимальную длину кадра, имея в виду многосегментные сети, которые строятся из
нескольких сегментов, соединенных повторителями.
Повторители увеличивают мощность передаваемых с сегмента на сегмент сигналов, в результате затухание сигналов уменьшается и можно использовать сеть гораздо большей длины, состоящую из нескольких сегментов. В коаксиальных реализациях Еthеrnеt разработчики ограничили максимальное количество сегментов в сети пятью, что в свою очередь ограничивает общую длину сети 2500 метрами.
Даже в такой многосегментной сети условие обнаружения коллизий по-прежнему выполняется с большим запасом (сравним полученное из условия допустимого затухания расстояние в 2500 м с вычисленным выше максимально возможным по времени распространения сигнала расстоянием 6635 м). Однако в действительности временной запас является существенно меньше, поскольку в многосегментных сетях сами повторители вносят в распространение сигнала дополнительную задержку в несколько десятков битовых интервалов. Естественно, небольшой запас был сделан также для компенсации отклонений параметров кабеля и повторителей.
В результате учета всех этих и некоторых других факторов было тщательно подобрано соотношение между минимальной длиной кадра и максимально возможным расстоянием между станциями сети, которое обеспечивает надежное распознавание коллизий.
Это расстояние называют также максимальным диаметром сети.
С увеличением скорости передачи кадров, что имеет место в новых стандартах, базирующихся на том же методе доступа СSМА/СD, например Fast Еthеrnеt, максимальное расстояние между станциями сети уменьшается пропорционально увеличению скорости передачи. В стандарте Fast Еthеrnеt оно составляет около 210 м, а в стандарте Gigabit Еthеrnеt оно было бы ограничено 25 метрами, если бы разработчики стандарта не предприняли некоторых мер по увеличению минимального размера пакета.
В табл. 3.1 приведены значения основных параметров процедуры передачи кадра стандарта 802.3, которые не зависят от реализации физической среды. Важно отметить, что каждый вариант физической среды технологии Еthеrnеt добавляет к этим ограничениям свои, часто более строгие ограничения, которые также должны выполняться и которые будут рассмотрены ниже.
Таблица 3.1. Параметры уровня МАС Еthеrnеt
_____________________________________________________________________________________________
Параметры Значения
Интервал отсрочки 512 битовых интервала
Межкадровый интервал (IРG) 9,6 мкс
Максимальное число попыток передачи 16
Максимальное число возрастания диапазона паузы 10
Длина jam-последовательности 32 бита
Максимальная длина кадра (без преамбулы) 1518 байт
Минимальная длина кадра (без преамбулы) 64 байт (512 бит).
Длина преамбулы 64 бит
Минимальная длина случайной паузы после коллизии 0 битовых интервалов
Максимальная длина случайной паузы после коллизии 524000 битовых интервала
Максимальное расстояние между станциями сети 2500м
Максимальное число станций в сети 1024
3.3.2. Максимальная производительность сети Еthеrnеt
Количество обрабатываемых кадров Еthеrnеt в секунду часто указывается производителями мостов/коммутаторов и маршрутизаторов как основная характеристика производительности этих устройств. В свою очередь, интересно знать чистую максимальную пропускную способность сегмента Еthеrnеt в кадрах в секунду в идеальном случае, когда в сети нет коллизий и нет дополнительных задержек, вносимых мостами и маршрутизаторами. Такой показатель помогает оценить требования к производительности коммуникационных устройств, так как в каждый порт устройства не может поступать больше кадров в единицу времени, чем позволяет это сделать соответствующий протокол.
Для коммуникационного оборудования наиболее тяжелым режимом является обработка кадров минимальной длины. Это объясняется тем, что на обработку каждого кадра мост, коммутатор или маршрутизатор тратит примерно одно и то же время, связанное с просмотром таблицы продвижения пакета, формированием нового кадра (для маршрутизатора) и т. п. А количество кадров минимальной длины, поступающих на устройство в единицу времени, естественно больше, чем кадров любой другой длины. Другая характеристика производительности коммуникационного оборудования — бит в секунду — используется реже, так как она не говорит о том, какого размера кадры при этом обрабатывало устройство, а на кадрах максимального размера достичь высокой производительности, измеряемой в битах в секунду гораздо легче.
Используя параметры, приведенные в табл. 3.1, рассчитаем максимальную производительность сегмента Еthеrnеt в таких единицах, как число переданных кадров (пакетов) минимальной длины в секунду
__________________________________________________________________________________________
ПРИМЕЧАНИЕ При указании пропускной способности сетей термины кадр и пакет обычно используются как синонимы.
Соответственно, аналогичными являются и единицы измерения производительности frames-per-second, fps и packets-per second, pps.
 |
Рис. 3.5. К расчету пропускной способности протокола Еthеrnеt
Естественно, что наличие в сегменте нескольких узлов снижает эту величину за счет ожидания доступа к среде, а также за счет коллизий, приводящих к необходимости повторной передачи кадров.
Кадры максимальной длины технологии Еthеrnеt имеют поле длины 1500 байт, что вместе со служебной информацией дает 1518 байт, а с преамбулой составляет 1526 байт или 12 208 бит. Максимально возможная пропускная способность сегмента Еthеrnеt для кадров максимальной длины составляет 813 кадр/с. Очевидно, что при работе с большими кадрами нагрузка на мосты, коммутаторы и маршрутизаторы довольно ощутимо снижается.
Теперь рассчитаем, какой максимальной полезной пропускной способностью в бит в секунду обладают сегменты Еthеrnеt при использовании кадров разного размера.
Под полезной пропускной способностью протокола
понимается скорость передачи пользовательских данных, которые переносятся полем данных кадра.
Эта пропускная способность всегда меньше номинальной битовой скорости протокола Еthеrnеt за счет нескольких факторов:
· служебной информации кадра;
· межкадровых интервалов (IРG);
· ожидания доступа к среде.
Для кадров минимальной длины полезная пропускная способность равна:
Сп = 14880 х 46 х 8 = 5,48 Мбит/с.
Это намного меньше 10 Мбит/с, но следует учесть, что кадры минимальной длины используются в основном для передачи квитанций, так что к передаче собственно данных файлов эта скорость отношения не имеет.
Для кадров максимальной длины полезная пропускная способность равна:
Сп = 813 х 1500 х 8 = 9,76 Мбит/с,
что весьма близко к номинальной скорости протокола.
Еще раз подчеркнем, что такой скорости можно достигнуть только в том случае, когда двум взаимодействующим узлам в сети Еthеrnеt другие узлы не мешают, что бывает крайне редко.
При использовании кадров среднего размера с полем данных в 512 байт пропускная способность сети составит 9,29 Мбит/с, что тоже достаточно близко к предельной пропускной способности в 10 Мбит/с.
ВНИМАНИЕ Отношение текущей пропускной способности сети к ее максимальной пропускной способности называется коэффициентом использования сети (network utilization). При этом при определении текущей пропускной способности принимается во внимание передача по сети любой информации, как пользовательской, так и служебной. Коэффициент является важным показателем для технологий разделяемых сред, так как при случайном характере метода доступа высокое значение коэффициента использования часто говорит о низкой полезной пропускной способности сети (то есть скорости передачи пользовательских данных) — слишком много времени узлы тратят на процедуру получения доступа и повторные передачи кадров после коллизий.
При отсутствии коллизий и ожидания доступа коэффициент использования сети зависит от размера поля данных кадра и имеет максимальное значение 0,976 при передаче кадров максимальной длины.
Очевидно, что в реальной сети Еthеrnеt среднее значение коэффициента использования сети может значительно отличаться от этой величины. Более сложные случаи определения пропускной способности сети с учетом ожидания доступа и отработки коллизий будут рассмотрены ниже.
3.3.3. Форматы кадров технологии Еthеrnеt
Стандарт технологии Еthеrnеt, описанный в документе IEЕЕ 802.3, дает описание единственного формата кадра уровня МАС. Так как в кадр уровня МАС должен вкладываться кадр уровня LLС, описанный в документе IЕЕЕ 802.2, то по стандартам IЕЕЕ в сети Еthеrnеt может использоваться только единственный вариант кадра канального уровня, заголовок которого является комбинацией заголовков МАС и LLС подуровней.
Тем не менее на практике в сетях Еthеrnеt на канальном уровне используются кадры 4-х различных форматов (типов). Это связано с длительной историей развития технологии Еthеrnеt, насчитывающей период существования до принятия стандартов IЕЕЕ 802, когда подуровень LLС не выделялся из общего протокола и, соответственно, заголовок LLС не применялся.
Консорциум трех фирм Digital, Intel и Хегох в 1980 году представил на рассмотрение комитету 802.3 свою фирменную версию стандарта Еthеrnеt (в которой был, естественно, описан определенный формат кадра) в качестве проекта международного стандарта, но комитет 802.3 принял стандарт, отличающийся в некоторых деталях от предложения DIХ. Отличия касались и формата кадра, что породило существование двух различных типов кадров в сетях Еthеrnеt.
Еще один формат кадра появился в результате усилий компании Novell по ускорению работы своего стека протоколов в сетях Еthеrnеt.
И наконец, четвертый формат кадра стал результатом деятельности комитета 802.2 по приведению предыдущих форматов кадров к некоторому общему стандарту.
Различия в форматах кадров могут приводить к несовместимости в работе аппаратуры и сетевого программного обеспечения, рассчитанного на работу только с одним стандартом кадра Еthеrnеt. Однако сегодня практически все сетевые адаптеры, драйверы сетевых адаптеров, мосты/коммутаторы и маршрутизаторы умеют работать со всеми используемыми на практике форматами кадров технологии Еthеrnеt, причем распознавание типа кадра выполняется автоматически.
Ниже приводится описание всех четырех типов кадров Еthеrnеt (здесь под кадром понимается весь набор полей, которые относятся к канальному уровню, то есть поля МАC и LLС уровней). Один и тот же тип кадра может иметь разные названия, поэтому ниже для каждого типа кадра приведено по нескольку наиболее
употребительных названий:
• кадр 802.3/LLС (кадр 802.3/802.2 или кадр Novell 802.2);
• кадр Raw 802.3 (или кадр Novell 802.3);
• кадр Еthеrnеt DIХ (или кадр Еthеrnеt II);
• кадр Еthеrnеt SNАР.
Форматы всех этих четырех типов кадров Еthеrnеt; приведены на рис. 3.6.
Кадр 802.3/LLС
Заголовок кадра 802.3/LLС является результатом объединения полей заголовков кадров, определенных в стандартах IЕЕЕ 802.3 и 802.2.
Стандарт 802.3 определяет восемь полей заголовка (рис. 3.6; поле преамбулы и начальный ограничитель кадра на рисунке не показаны).
Поле преамбулы (Preamble) состоит из семи синхронизирующих байт 10101010. При манчестерском кодировании эта комбинация представляется в физической среде периодическим волновым сигналом с частотой 5 МГц.
Начальный ограничитель кадра (Start-of-frame-delimiter,SFD) состоит из одного байта 10101011. Появление этой комбинации бит является указанием на то, что следующий байт — это первый байт заголовка кадра.
Адрес назначения (Destination Address, DA) может быть длиной 2 или 6 байт. На практике всегда используются адреса из 6 байт. Первый бит старшего байта адреса назначения является признаком того, является адрес индивидуальным или групповым. Если он равен 0, то адрес является индивидуальным (unicast), а если 1, то это групповой адрес (multicast). Групповой адрес может предназначаться всем узлам сети или же определенной группе узлов сети. Если адрес состоит из
всех единиц, то есть имеет шестнадцатеричное представление0хFFFFFFFFFFFF, то он предназначается всем узлам сети и называется широковещательным адресом (broadcast). В остальных случаях групповой адрес связан только с теми узлами, которые сконфигурированы (например, вручную) как члены группы, номер которой указан в групповом адресе.
Второй бит старшего байта адреса определяет способ назначения адреса — централизованный или локальный. Если этот бит равен 0 (что бывает почти всегда Б стандартной аппаратуре Еthеrnеt), то адрес назначен централизованно, с помощью комитета IЕЕЕ. Комитет IЕЕЕ распределяет между производителями оборудования так называемые организационно уникальные идентификаторы (Organizationally Unique Identifier, OUI).Этот идентификатор помещается в 3 старших байта адреса (например, идентификатор 000081 определяет компанию Вау Networks). За уникальность младших
3-х байт адреса отвечает производитель оборудования. Двадцать четыре бита, отводимые производителю для адресации интерфейсов его продукции, позволяют выпустить 16 миллионов интерфейсов под одним идентификатором организации. Уникальность централизованно распределяемых адресов распространяется на все основные технологии локальных сетей — Еthеrnеt , Token Ring, FDDI и т.д.
ВНИМАНИЕ В стандартах IЕЕЕ Еthеrnеt младший бит байта изображается в самой левой позиции поля, а старший бит -в самой правой. Этот нестандартный способ отображения порядка бит в байте соответствует порядку передачи бит в линию связи передатчиком Еthеrnеt. В стандартах других организаций, например RFC IETF,IТU-Т, ISO, используется традиционное представление байта, когда младший бит считается самым правым битом байта, а старший - самым левым. При этом порядок следования байтов остается традиционным. Поэтому при чтении стандартов, опубликованных этими организациями, а также чтении данных, отображаемых на экране операционной системой или анализатором протоколов, значения каждого байта кадра Еthеrnеt нужно зеркально отобразить, чтобы получить правильное представление о значении разрядов этого байта в соответствии с документами IEЕЕ. Например, групповой адрес, имеющийся в нотации IЕЕЕ вид
1000 0000 0000 0000 1010 0111 1111 0000 0000 0000 0000 0000 или в шестнадцатеричной записи
80-00-А7-F0-00-00, будет, скорее всего, отображен анализатором протоколов в традиционном виде как
01-00-5Е-0Е-00-00.
• Адрес источника (Source Address,SА) — это 2- или 6- байтовое поле, содержащее адрес узла — отправителя кадра. Первый бит адреса всегда имеет значение 0.
• Длина (Length,L) — 2-байтовое поле, которое определяет длину поля данных в кадре.
• Поле данных (Data)
может содержать от 0 до 1500 байт. Но если длина поля меньше 46 байт, то используется следующее поле — поле заполнения, — чтобы дополнить кадр до минимально допустимого значения в 46 байт.
• Поле заполнения (Padding) состоит из такого количества байт заполнителей, которое обеспечивает минимальную длину поля данных в 46 байт. Это обеспечивает корректную работу механизма обнаружения коллизий. Если длина поля данных достаточна, то поле заполнения в кадре не появляется.
• Поле контрольной суммы (Frame Check Sequence,FCS) состоит из 4 байт, содержащих контрольную сумму. Это значение вычисляется по алгоритму СRС-32. После получения кадра рабочая станция выполняет собственное вычисление контрольной суммы для этого кадра, сравнивает полученное значение со значением поля контрольной суммы и, таким образом, определяет, не искажен ли полученный кадр.
Кадр 802.3 является кадром МАС-подуровня, поэтому в соответствии со стандартом 802.2 в его поле данных вкладывается кадр подуровня LLС с удаленными флагами начала и конца кадра. Формат кадра LLС был описан выше. Так как кадр LLС имеет заголовок длиной 3 (в режиме LLС1) или 4 байт (в режиме LLС2), то максимальный размер поля данных уменьшается до 1497 или 1496 байт.
Кадр 802.3/LLС
|
6 |
6 |
2 |
1 |
1 |
1(2) |
46-1497(1496) |
4 |
|
DA |
SA |
L |
DSAP |
SSAP |
Control |
Data |
FCS |
|
Заголовок LLC |
|
6 |
6 |
2 |
46-1500 |
4 |
|
DA |
SA |
L |
Data |
FCS |
|
6 |
6 |
2 |
46-1500 |
4 |
|
DA |
SA |
T |
Data |
FCS |
|
6 |
6 |
2 |
1 |
1 |
1 |
3 |
2 |
46-1492 |
4 |
|
DA |
SA |
L |
DSAP |
SSAP |
Control |
OUI |
T |
Data |
FCS |
|
AA |
AA |
03 |
000000 |
||||||
|
Заголовок LLC |
Заголовок SNAP |
это самая распространенная на сегодняшний
* Еthеrnеt — это самая распространенная на сегодняшний день технология локальных сетей. В широком смысле Еthеrnеt — это целое семейство технологий, включающее различные фирменные и стандартные варианты, из которых наиболее известны фирменный вариант Еthеrnеt DIX, 10-мегабитные варианты стандарта IЕЕЕ 802.3, а также новые высокоскоростные технологии Fаst Еthеrnеt и Gigabit Еthеrnеt. Почти все виды технологий Еthеrnеt; используют один и тот же метод разделения среды передачи данных — метод случайного доступа СSМА/СD, который определяет облик технологии в целом.
* В узком смысле Еthеrnеt — это 10-мегабитная технология, описанная в стандарте IEЕЕ 802.3.
* Важным явлением в сетях Еthеrnеt является коллизия — ситуация, когда две станции одновременно пытаются передать кадр данных по общей среде. Наличие коллизий — это неотъемлемое свойство сетей Еthеrnеt, являющееся следствием принятого случайного метода доступа. Возможность четкого распознавания коллизий обусловлена правильным выбором параметров сети, в частности соблюдением соотношения между минимальной длиной кадра и максимально возможным диаметром сети.
* На характеристики производительности сети большое значение оказывает коэффициент использования сети, который отражает ее загруженность. При значениях этого коэффициента свыше 50 % полезная пропускная способность сети резко падает: из-за роста интенсивности коллизий, а также увеличения времени ожидания доступа к среде.
* Максимально возможная пропускная способность сегмента Еthеrnеt в кадрах в секунду достигается при передаче кадров минимальной длины и составляет 14 880 кадр/с. При этом полезная пропускная способность сети составляет всего 5,48 Мбит/с, что лишь ненамного превышает половину номинальной пропускной способности — 10 Мбит/с.
* Максимально возможная полезная пропускная способность сети Еthеrnеt составляет 9,75 Мбит/с, что соответствует использованию кадров максимальной длины в 1518 байт, которые передаются по сети со скоростью 513 кадр/с.
* При отсутствии коллизий и ожидания доступа коэффициент использования сети зависит от размера поля данных кадра и имеет максимальное значение 0,96.
* Технология Еthеrnеt поддерживает 4 разных типа кадров, которые имеют общий формат адресов узлов. Существуют формальные признаки, по которым сетевые адаптеры автоматически распознают тип кадра.
* В зависимости от типа физической среды стандарт IEЕЕ 802.3 определяет различные спецификации: 10Ваsе-5, 10Ваsе-2, 10Ваsе-Т, FOIRL, 10Ваsе-FL,10Ваsе-FВ. Для каждой спецификации определяются тип кабеля, максимальные длины непрерывных отрезков кабеля, а также правила использования повторителей для увеличения диаметра сети: правило «5-4-3» для коаксиальных вариантов сетей, и правило «4-х хабов» для витой пары и оптоволокна.
* Для «смешанной» сети, состоящей из физических сегментов различного типа, полезно проводить расчет общей длины сети и допустимого количества повторителей. Комитет IEЕЕ 802.3 приводит исходные данные для таких расчетов, в которых указываются задержки, вносимые повторителями различных спецификаций физической среды, сетевыми адаптерами и сегментами кабеля.
3.6. Fast Ethernet и 100VG-AnyLAN как развитие технологии Ethernet.
Классический 10-мегабитный Ethernet устраивал большинство пользователей на протяжении около 15 лет. Однако в начале 90-х годов начала ощущаться его недостаточная пропускная способность. Для компьютеров на процессорах Intel 80286 или 80386 с шинами 15А (8 Мбайт/с) или Е18А (32 Мбайт/с) пропускная способность сегмента Ethernet составляла 1/8 или 1/32 канала «память-диск», и это хорошо согласовывалось с соотношением объемов данных, обрабатываемых локально, и данных, передаваемых по сети. Для более мощных клиентских станций с шиной РСI (133 Мбайт/с) эта доля упала до 1/133, что было явно недостаточно. Поэтому многие сегменты 10-мегабитного Ethernet стали перегруженными, реакция серверов в них значительно упала, а частота возникновения коллизий существенно возросла, еще более снижая полезную пропускную способность.
Назрела необходимость в разработке «нового» Ethernet , то есть технологии, которая была бы такой же эффективной по соотношению цена/качество при производительности 100 Мбит/с. В результате поисков и исследований специалисты разделились на два лагеря, что в конце концов привело к появлению двух новых
технологий — Fast Ethernet и 100VG-АnуLAN. Они отличаются степенью преемственности с классическим Ethernet.
В 1992 году группа производителей сетевого оборудования, включая таких лидеров технологии Ethernet, как SynOptics, ЗСоm и ряд других, образовали некоммерческое объединение Fast Ethernet Аlliancе для разработки стандарта новой технологии, которая должна была в максимально возможной степени сохранить
особенности технологии Ethernet.
Второй лагерь возглавили компании Нewlett-Packard и АТ&Т, которые предложили воспользоваться удобным случаем для устранения некоторых известных недостатков технологии Ethernet . Через некоторое время к этим компаниям присоединилась компания IВМ, которая внесла свой вклад предложением обеспечить в новой технологии некоторую совместимость с сетями Токеn Ring.
В комитете 802 института IEЕЕ в это же время была сформирована исследовательская группа для изучения технического потенциала новых высокоскоростных технологий. За период с конца 1992 года и по конец 1993 года группа IEЕЕ изучила 100-мегабитные решения, предложенные различными производителями. Наряду с предложениями Fast Ethernet Alliance группа рассмотрела также и высокоскоростную технологию, предложенную компаниями Неwlett-Расkаrd и АТ&Т.
В центре дискуссий была проблема сохранения случайного метода доступа СSМА/СD). Предложение Fast Ethernet Alliance сохраняло этот метод и тем самым обеспечивало преемственность и согласованность сетей 10 Мбит/с и 100 Мбит/с. Коалиция НР и АТ&Т, которая имела поддержку значительно меньшего числа производителей в сетевой индустрии, чем Fast Ethernet Alliance, предложила совершенно новый метод доступа, названный Demand Priority — приоритетный доступ по требованию.
Он существенно менял картину поведения узлов в сети, поэтому не смог вписаться в технологию Ethernet и стандарт 802.3, и для его стандартизации был организован новый комитет IEЕЕ 802.12.
Осенью 1995 года обе технологии стали стандартами IEЕЕ. Комитет IEЕЕ 802.3 принял спецификацию Fast Ethernet в качестве стандарта 802.3u, который не является самостоятельным стандартом, а представляет собой дополнение к существующему стандарту 802.3 в виде глав с 21 по 30. Комитет 802.12 принял технологию 100VG - АnуLAN, которая использует новый метод доступа Demand Priority и поддерживает кадры двух форматов — Ethernet и Тоkеn .
3.6.1. Физический уровень технологии Fast Ethernet.
Все отличия технологии Fast Ethernet от Ethernet сосредоточены на физическом уровне (рис. 3.20). Уровни МАС и LLС в Fast Ethernet остались абсолютно теми же, и их описывают прежние главы стандартов 802.3 и 802.2. Поэтому рассматривая технологию Fast Ethernet, мы будем изучать только несколько вариантов ее
физического уровня.
Более сложная структура физического уровня технологии Fast Ethernet вызва-
на тем, что в ней используются три варианта кабельных систем:
• волоконно-оптический многомодовый кабель, используются два волокна;
• витая пара категории 5, используются две пары;
• витая пара категории 3, используются четыре пары.
Коаксиальный кабель, давший миру первую сеть Ethernet , в число разрешенных сред передачи данных новой технологии Fast Ethernet не попал. Это общая тенденция многих новых технологий, поскольку на небольших расстояниях витая пара категории 5 позволяет передавать данные с той же скоростью, что и коаксиальный кабель, но сеть получается более дешевой и удобной в эксплуатации. На больших расстояниях оптическое волокно обладает гораздо более широкой полосой пропускания, чем коаксиал, а стоимость сети получается ненамного выше, особенно если учесть высокие затраты на поиск и устранение неисправностей в крупной кабельной коаксиальной системе.
Рис. 3.20.
Отличия технологии Fast Ethernet от технологии Ethernet
Отказ от коаксиального кабеля привел к тому, что сети Fast Ethernet всегда имеют иерархическую древовидную структуру, построенную на концентраторах, как и сети 10Ваsе-Т/10Ваsе-F. Основным отличием конфигураций сетей Fast Ethernet является сокращение диаметра сети примерно до 200 м, что объясняется уменьшением времени передачи кадра минимальной длины в 10 раз за счет увеличения
скорости передачи в 10 раз по сравнению с 10-мегабитным Ethernet .
Тем не менее это обстоятельство не очень препятствует построению крупных сетей на технологии Fast Ethernet. Дело в том, что середина 90-х годов отмечена не только широким распространением недорогих высокоскоростных технологий, но и бурным развитием локальных сетей на основе коммутаторов. При использовании коммутаторов протокол Fast Ethernet может работать в полнодуплексном режиме,в котором нет ограничений на общую длину сети, а остаются только ограничения на длину физических сегментов, соединяющих соседние устройства (адаптер - коммутатор или коммутатор - коммутатор). Поэтому при создании магистралей локальных сетей большой протяженности технология Fast Ethernet также активно
применяется, но только в полнодуплексном варианте, совместно с коммутаторами.
В данном разделе рассматривается полудуплексный вариант работы технологии Fast Ethernet, который полностью соответствует определению метода доступа, описанному в стандарте 802.3. Особенности полнодуплексного режима Fast Ethernet описаны в главе 4.
По сравнению с вариантами физической реализации • (а их насчитывается шесть), в Fast Ethernet отличия каждого варианта от других глубже — меняется как количество проводников, так и методы кодирования. А так как физические варианты Fast Ethernet создавались одновременно, а не эволюционно, как для сетей Ethernet, то имелась возможность детально определить те подуровни физического уровня, которые не изменяются от варианта к варианту, и те подуровни, которые специфичны для каждого варианта физической среды.
Официальный стандарт 802. 3u установил три различных спецификации для физического уровня Fast Ethernet и дал им следующие названия (рис. 3.21):
• 100Ваsе-ТХ для двухпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP категории 5 или экранированной витой паре STP Туре 1;
• 100Ваsе-Т4 для четырехпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP категории 3, 4 или 5;
• 100Ваsе-FХ для многомодового оптоволоконного кабеля, используются два волокна.
Риc. 3.21. Структура физического уровня Fast Ethernet
Для всех трех стандартов справедливы следующие утверждения и характеристики.
• Форматы кадров технологии Fast Ethernet отличаются от форматов кадров технологий 10-мегабитного Ethernet.
• Межкадровый интервал (IРG) равен 0,96 мкс, а битовый интервал равен 10 нc. Все временные параметры алгоритма доступа (интервал отсрочки, время передачи кадра минимальной длины и т. п.), измеренные в битовых интервалах, остались прежними, поэтому изменения в разделы стандарта, касающиеся уровня
МАС, не вносились.
• Признаком свободного состояния среды является передача по ней символа Idle соответствующего избыточного кода (а не отсутствие сигналов, как в стандартах Ethernet 10 Мбит/с).
Физический уровень включает три элемента:
уровень согласования (reconciliation sublayer);
независимый от среды интерфейс (Media Independent Interface,MII);
устройство физического уровня (Physical layer device,PНY).
Уровень согласования нужен для того, чтобы уровень МАС, рассчитанный на интерфейс АUI, смог работать с физическим уровнем через интерфейс МII.
Устройство физического уровня (РНY) состоит, в свою очередь, из нескольких подуровней (см. рис. 3.20):
• подуровня логического кодирование данных, преобразующего поступающие от уровня МАС байты в символы кода 4В/5В или 8В/6Т (оба кода используются в технологии Fast Ethernet );
• подуровней физического присоединения и подуровня зависимости от физической среды (РМD), которые обеспечивают формирование сигналов в соответствии с методом физического кодирования, например NRZI или МLТ-3;
• подуровня автопереговоров, который позволяет двум взаимодействующим портам автоматически выбрать наиболее эффективный режим работы, например, полудуплексный или полнодуплексный (этот подуровень является факультативным).
Интерфейс МII поддерживает независимый от физической среды способ обмена данными между подуровнем МАС и подуровнем РНY. Этот интерфейс аналогичен по назначению интерфейсу AUI классического Ethernet за исключением того, что интерфейс АШ располагался между подуровнем физического кодирования сигнала (для любых вариантов кабеля использовался одинаковый метод физического кодирования — манчестерский код) и подуровнем физического присоединения к среде, а интерфейс МII располагается между подуровнем МАС и подуровнями кодирования сигнала, которых в стандарте Fast Ethernet три — FХ, ТХ и Т4.
Разъем МII в отличие от разъема АUI имеет 40 контактов, максимальная длина кабеля МII составляет один метр. Сигналы, передаваемые по интерфейсу МII, имеют амплитуду 5 В.
Физический уровень 100Вasе-FХ - многомодовое оптоволокно, два волокна
Эта спецификация определяет работу протокола Fast Ethernet: по многомодовому оптоволокну в полудуплексном и полнодуплексном режимах на основе хорошо проверенной схемы кодирования FDDI. Как и в стандарте FDDI, каждый узел соединяется с сетью двумя оптическими волокнами, идущими от приемника (Rx) и от передатчика (Тх).
Между спецификациями 100Ваsе-FХ и 100Ваsе-ТХ есть много общего, поэтому общие для двух спецификаций свойства будут даваться под обобщенным названием 100Ваsе-FХ/ТХ.
В то время как Ethernet со скоростью передачи 10 Мбит/с использует манчестерское кодирование для представления данных при передаче по кабелю, в стандарте Fast Ethernet определен другой метод кодирования — 4В/5В. Этот метод уже показал свою эффективность в стандарте FDDI и без изменений перенесен в спецификацию 100Ваsе-FХ/ТХ. При этом методе каждые 4 бита данных подуровня МАС (называемых символами) представляются 5 битами.
Избыточный бит позволяет применить потенциальные коды при представлении каждого из пяти бит в виде электрических или оптических импульсов. Существование запрещенных комбинаций символов позволяет отбраковывать ошибочные символы, что повышает устойчивость работы сетей с 100Bаsе-FХ/ТХ.
Риc. 3.22. Непрерывный поток данных спецификаций 100Ваsе-FХ/ТХ
Для отделения кадра Ethernet от символов Idlе используется комбинация символов Start Delimiter (пара символов J (11000) и К (10001) кода 4В/5В, а после завершения кадра перед первым символом Idlе вставляется символ Т (рис. 3.22).
После преобразования 4-битовых порций кодов МАC в 5-битовые порции физического уровня их необходимо представить в виде оптических или электрических сигналов в кабеле, соединяющем узлы сети. Спецификации 100Ваsе-FХ и 100Ваsе-ТХ используют для этого различные методы физического кодирования —NRZI и МLТ-3 соответственно (как и в технологии FDDI при работе через оптоволокно и витую пару).
Физический уровень 100Ваsе-ТХ - витая пара UТР Саt 5 или SТР Туре 1, две пары
В качестве среды передачи данных спецификация 100Ваsе-ТХ использует кабель UTP категории 5 или кабель SТР Туре 1. Максимальная длина кабеля в обоих случаях —100 м.
Основные отличия от спецификации 100Ваsе-FХ — использование метода МLТ-3 для передачи сигналов 5-битовых порций кода 4В/5В по витой паре, а также наличие функции автопереговоров (Аutо-negotiation) для выбора режима работы порта. Схема автопереговоров позволяет двум соединенным физически устройствам, которые поддерживают несколько стандартов физического уровня, отличающихся битовой скоростью и количеством витых пар, выбрать наиболее выгодный режим работы. Обычно процедура автопереговоров происходит при подсоединении сетевого адаптера, который может работать на скоростях 10 и 100 Мбит/с, к концентратору или коммутатору.
Описанная ниже схема Аutо-negotiation сегодня является стандартом технологии 100Ваsе-Т. До этого производители применяли различные собственные схемы автоматического определения скорости работы взаимодействующих портов, которые не были совместимы.
Принятую в качестве стандарта схему Аutо- negotiation предложила первоначально компания National Semiconductor под названием NWay.
Всего в настоящее время определено 5 различных режимов работы, которые могут поддерживать устройства 100Ваsе-ТХ или 100Ваsе-Т4 на витых парах:
• 10Ваsе-Т — 2 пары категории 3;
• 10Ваsе-Т full-duplex — 2 пары категории 3;
• 100Ваsе-ТХ - 2 пары категории 5 (или Туре 1А SТР);
• 100Ваsе-Т4 — 4 пары категории 3;
• 100Ваsе-ТХ full-duplex - 2 пары категории 5 (или Туре 1А SТР).
Режим 10Ваsе-Т имеет самый низкий приоритет при переговорном процессе, а полнодуплексный режим 100Ваsе-Т4 — самый высокий. Переговорный процесс происходит при включении питания устройства, а также может быть инициирован в любой момент модулем управления устройства.
Устройство, начавшее процесс аuto-negotation, посылает своему партнеру пачку специальных импульсов Fast Link Pulse burst (FLP), в котором содержится 8-битное слово, кодирующее предлагаемый режим взаимодействия, начиная с самого приоритетного, поддерживаемого данным узлом.
Если узел-партнер поддерживает функцию аuto-negotation и также может поддерживать предложенный режим, он отвечает пачкой импульсов FLР, в которой подтверждает данный режим, и на этом переговоры заканчиваются. Если же узел-партнер может поддерживать менее приоритетный режим, то он указывает его в ответе, и этот режим выбирается в качестве рабочего. Таким образом, всегда выбирается наиболее приоритетный общий режим узлов.
Узел, который поддерживает только технологию 10Ваsе-Т, каждые 16 мс посылает манчестерские импульсы для проверки целостности линии, связывающей его с соседним узлом. Такой узел не понимает запрос FLР, который делает ему узел с функцией Auto-negotation , и продолжает посылать свои импульсы. Узел, получивший в ответ на запрос РЬР только импульсы проверки целостности линии, понимает, что его партнер может работать только по стандарту 10Ваsе-Т, и устанавливает этот режим работы и для себя.
