Сети ethernet/fast ethernet/gigabit ethernet

Размещено на http://www.allbest.ru/

Контрольная работа

Сети Ethernet/Fast Ethernet/Gigabit Ethernet



Содержание

Введение

1. Сети Ethernet

2. Основные типы устройств Ethernet

3. Проектирование сети в пределах коллизионного домена Ethernet

4. Сети Fast Ethernet

5. Проектирование сети в пределах коллизионного домена Fast Ethernet

6. Дуплексный Ethernet

7. Сети Gigabit Ethernet (стандарты IEEE 802.3z и 802.Sab)

8. Внедрение Ethernet к магистральные сети Gigabit Ethernet

Литература



Введение

Термин Ethernet сегодня является синонимом стандарта IEEE 802.3, который определяет сеть передачи данных со случайным методом доступа к среде с разрешением конфликтов (коллизий) CSMA/CD. Простота и низкая стоимость оборудования сделало Ethernet наиболее широко применяемым в современных сетях, о чем свидетельствует непрерывный рост инсталляций сетей как на основе стандарта Ethernet, так и на основе Fast Ethernet - эффективного преемника Ethernet.

Первоначально Ethernet разрабатывался компанией Xerox на базе системы ALOHA [1], использующей протокол CSMA/CD, со скоростью передачи всего 2,94 Мбит/с, объединяя более 100 рабочих станций в пределах одного километра. Дальнейшее развитие обеспечено разработкой группы компаний Xerox, DEC и Intel, которая позволила повысить скорость передачи до 10 Мбит/с [2]. Этот стандарт и стал базой для современного международного стандарта IЕЕЕ 802.3.

Изменились и физические интерфейсы, которые теперь с тонкого или толстого коаксиального кабеля перешли на неэкранированную витую пару UTP cat.5 и оптическое волокно.

В 1980 году компании Xerox, DEC и Intel опубликовали стандарт DIX (DIX аббревиатура от DEC-lntel-Xerox) Ethernet со скоростью передачи 10 Мбит/с, который по мере совершенствования компьютерных технологий потребовал значительно больших полос пропускания и сегодня стандарт Ethernet использующий логическую топологию "шина" с одним коллизионным доменом, пригоден лишь для построения локальных сетей на небольших предприятиях. Первая половина 90-х годов характеризуется внедрением сетевых коммутаторов Ethernet, позволяющих строить магистрали в точке (collapsed backbones) и, тем самым, разгрузить крупные сети. Дальнейшее появление коммутаторов и сетевых карт, поддерживающих дуплексную передачу - передачу данных в обоих направлениях одновременно без коллизий при логической топологии, "точка-точка", - сняло ограничение на расстояние и дало полную свободу применению ВОЛС и построению протяженных сегментов между коммутаторами Ethernet.

В 1995 году принят стандарт IEEE 802.3u Fast Ethernet, обеспечивший скорость передачи 100 Мбит/с, который позволил создатьстандарты Gigabit Ethernet IEEE 802.3z и IEEE 802.3аb.

При строительстве систем главную практическую ценность имеют инструкции, которых следует придерживаться для нормального функционирования сети, например, длины сегментов, диаметр коллизионного домена, количество рабочих станций в системе, и т.п. Однако сами по себе такие инструкции трудно воспринимать, если отсутствуют представления о стандарте, который является первопричиной появления правил и инструкций. Поэтому вначале рассматриваются основные спецификации стандарта Ethernet. Описание более современных стандартов строится на основе рассмотрения отличительных черт и модернизаций, преимуществ и недостатков по сравнению с предшественником. В заключении раздела рассмотрим примеры конфигураций сетей по мере развития от Ethernet до Gigabit Ethernet, а также краткие характеристики некоторых новых протоколов, в частности 802.3х, 802.1Q, RSVP, используя которые Gigabit Ethernet становится полноправной магистральной волоконно-оптической технологией.



1. Сети Ethernet

Выделим три главных элемента стандарта: формат кадра, систему сигнализации между рабочими станциями при осуществлении передачи данных по протоколу CSMA/CD и набор физических сред: коаксиальный кабель, витая пара, ВОК [3].

Формат кадра Ethernet

На рис. 1 приведены два базовых МАС формата кадра Ethernet, поля в которых имеют следующие назначения:

Рис. 1

- Преамбула: 7 байт, каждый из которых представляет чередование единиц и нулей 10101010 и позволяет установить битовую синхронизацию на приемной стороне.

- Ограничитель начала кадра (SFD, start frame delimiter): 1 байт, последовательность 10101011, можно относить к преамбуле, указывает, что далее последуют информационные поля кадра.

- Адрес назначения (DA, destination address): 6 байт, указывает МАС-адрес станции (МАС-адреса станций), для которой (которых) предназначен этот кадр. Это может быть единственный физический адрес (unicast), групповой адрес (multicast) или широковещательный адрес (broadcast).

- Адрес отправителя (SA, source address): 6 байт, указывает МАС-адрес станции, которая посылает кадр.

- Поле типа или длины кадра (Т or L, type or length): 2 байта. Существуют два базовых формата кадра Ethernet (в английской терминологии raw formats - сырые форматы) - Ethernet_II и IEEE 802.3 (рис. 1), причем различное назначение у них имеет именно рассматриваемое поле. Для кадра Ethernet_II в этом поле содержится информация о типе кадра. Ниже приведены значения в шестнадцатеричной системе этого поля для некоторых распространенных сетевых протоколов: 00800 для IP, 00806 для ARP, 0809В для AppieTalk, 00600 для XNS, и 08137 для IPX/SPX. С указанием в этом поле конкретного значения (одного из перечисленных) кадр приобретает реальный формат и в таком формате кадр уже может распространяться по сети.

- Для кадра IEEE 802.3 в этом поле содержится выраженный в байтах размер следующего поля - поля данных (LLC Data). Если эта цифра приводит к общей длине кадра меньше 64 байт, то за полем LLC Data добавляется поле Pad. Для протокола более высокого уровня не возникает путаницы с определением типа кадра, так как для кадра IEEE 802.3 значение этого поля не может быть больше 1500 (005DC). Поэтому, в одной сети могут свободно сосуществовать оба формата кадров, более того, один сетевой адаптер может взаимодействовать с обоими типами посредством стека протоколов.

- Данные (LLC Data): поле данных, которое обрабатывается подуровнем LLC. Сам по себе кадр IEEE 802.3 еще не окончательный. В зависимости от значений первых нескольких байт этого поля, могут быть три окончательных формата этого кадра IEEE 802.3: - Ethernet_802.3 (не стандартный, в настоящее время устаревающий формат, используемый Novell) - первые два байта LLC Data равны 0xFFFF; - Ethernet_SNAP (стандартный IEEE 802.2 SNAP формат, которому отдается наибольшее предпочтение в современных сетях, особенно для протокола TCP/IP) - первый байт LLC Data равен 0АА; - Ethernet_802.2 (стандартный IEEE 802.2 формат, используется фирмой Novell в NetWare 4.0) - первый байт LLC Data не равен ни 0FF (11111111), ни 0АА (10101010).

- Дополнительное поле (pad - наполнитель) - заполняется только в случае, когда поле данных невелико, с целью удлинения длины кадра до минимального размера 64 байта без учета преамбулы. Ограничение снизу на минимальную длину кадра необходимо для правильного разрешения коллизий.

- Контрольная последовательность кадра (FCS, frame check sequence): 4-байтовое поле, в котором указывается контрольная сумма, вычисленная с использованием циклического избыточного кода по полям кадра, за исключением преамбул SDF и FCS.

Основные варианты алгоритмов случайного доступа к среде

Протокол CSMA/CD определяет характер взаимодействия рабочих станций в сети с единой общей для всех устройств средой передачи данных. Все станции имеют равноправные условия по передаче данных. Нет определенной последовательности, в соответствии с которой станции могут получать доступ к среде для осуществления передачи. Именно в этом смысле доступ к среде осуществляется случайным образом. Реализация алгоритмов случайного доступа представляется значительно более простой задачей, чем реализация алгоритмов детерминированного доступа. Поскольку в последнем случае требуется или специальный протокол, контролирующий работу всех устройств сети (например, протокол обращения маркера, свойственный сетям Token Ring и FDDI), или специальное выделенное устройство - мастер концентратор, который в определенной последовательности предоставлял бы всем остальным станциям возможность передавать (сети Arcnet, 100VG Anyl_AN).

Но сеть со случайным доступом имеет один недостаток - не совсем устойчивая работа сети при большой загруженности, когда может проходить достаточно большое время, прежде чем данной станции удается передать данные. Причиной тому являются коллизии возникающие между станциями, начавшими передачу одновременно или почти одновременно. При возникновении коллизии передаваемые данные не доходят до получателей, а передающим станциям приходится повторно возобновлять передачу.

Поэтому принято множество всех станций сети, одновременная передача, любой пары из которых приводит к коллизии, называется коллизионным доменом (collision domain).

Из-за коллизии могут возникать непредсказуемые задержки при распространении кадров по сети, особенно при большой загруженности сети (много станций пытается одновременно передавать внутри коллизионного домена, > 20 - 25), и при большом диа-метре коллизионного домена (> 2 км). Поэтому при построении сетей желательно избегать таких экстремальных режимов работы.

Проблема построения протокола (способного наиболее рационально разрешать коллизии) оптимизирующего работу сети при больших загрузках, была одной из ключевых на этапе формирования стандарта Ethernet IEEE 802.3. Первоначально рассматривались три варианта подходов для реализации стандарта случайного доступа к среде (рис. 2) [5].

Рис. 2

Непостоянный (nonpersistent) алгоритм. При этом алгоритме станция, желающая передавать, руководствуется следующими правилами.

1. Прослушивает среду, и, если среда свободна (т.е. если нет другой передачи или нет сигнала коллизии), передает, в противном случае - среда занята - переходит к шагу 2.

2. Если среда занята, ждет случайное (в соответствии с определенной кривой распределения вероятностей) время и возвращается к шагу 1.

Использование случайного значения ожидания при занятой среде уменьшает вероятность образования коллизий. Действительно, предположим в противном случае, что две станции практически одновременно собрались передавать, в то время, как третья уже осуществляет передачу. Если первые две не имели бы случайного времени ожидания перед началом передачи (в случае, если среда оказалась занятой), а только прослушивали среду и ждали, когда она освободится, то после прекращения передачи третьей станцией первые две начали бы передавать одновременно, что неизбежно приводило бы к коллизиям. Таким образом, случайное ожидание устраняет возможность образования таких коллизий. Однако неудобство этого метода проявляется в неэффективном использовании полосы пропускания канала. Поскольку может случиться, что к тому моменту, когда среда освободится, станция, желающая передавать, еще будет продолжать ожидать некоторое случайное время, прежде чем решится прослушивать среду, поскольку перед этим уже прослушивала среду, которая оказалась занятой. В итоге канал будет простаивать какое-то время, даже если только одна станция ожидает передачи.

1-постоянный (1-persistent) алгоритм. Для сокращения времени, когда среда не занята, мог бы использоваться 1-постоянный алгоритм. При этом алгоритме станция, желающая передавать, руководствуется следующими правилами.

1. Прослушивает среду, и, если среда не занята, передает, в противном случае переходит к шагу 2;

2. Если среда занята, продолжает прослушивать среду до тех пор, пока среда не освободится, и, как только среда освобождается, сразу же начинает передавать.

Сравнивая непостоянный и 1-постоянный алгоритмы, можно сказать, что в 1-постоянном алгоритме станция, желающая передавать, ведет себя более "эгоистично". Поэтому, если две или более станций ожидают передачи (ждут, пока не освободится среда), коллизия, можно сказать, будет, гарантирована. После коллизии станции начинают решать, что им делать дальше.

Р-постоянный (p-persistent) алгоритм. Правила этого алгоритма следующие:

1. Если среда свободна, станция с вероятностью р сразу же начинает передачу или с вероятностью (1 - р) ожидает в течение интервала времени Т. Интервал Т обычно берется равным максимальному времени распространения сигнала из конца в конец сети;

2. Если среда занята, станция продолжает прослушивание до тех пор, пока среда не освободится, затем переходит к шагу 1;

3. Если передача задержана на один интервал Т, станция возвращается к шагу 1.

И здесь возникает вопрос выбора наиболее эффективного значения параметра р. Главная проблема, как избежать нестабильности при высоких загрузках. Рассмотрим ситуацию, при которой n станций намерены передать кадры, в то время, как уже идет передача. По окончанию передачи ожидаемое количество станций, которые попытаются передавать, будет равно произведению количества желающих передавать станций на вероятность передачи, то есть np. Если np > 1, то в среднем несколько станций будут пытаться передать сразу, что вызовет коллизию. Более того, как только коллизия будет обнаружена, все станции вновь перейдут к шагу 1, что вызовет повторную коллизию. В худшем случае, новые станции, желающие передавать, могут добавиться к n, что еще больше усугубит ситуацию, приведя, в конечном итоге, к непрерывной коллизии и нулевой пропускной способности. Во избежании такой катастрофы np должно быть меньше единицы. Если же сеть подвержена возникновению состояний, когда много станций одновременно желают передавать, то необходимо уменьшать р. С другой стороны, когда р становиться слишком малым, даже отдельная станция может прождать в среднем (1 - р)/р интервалов Т, прежде чем осуществит передачу. Так если р = 0,1, то средний простой, предшествующий передаче, составит 9Т.

Протокол CSMA/CD

Протокол CSMA/CD [3] воплотил в себе идеи вышеперечисленных алгоритмов и добавил важный элемент - разрешение коллизий. Поскольку коллизия разрушает все передаваемые в момент ее образования кадры, то и нет смысла станциям продолжать передачу кадров. В противном случае, значительной была бы потеря времени при передаче длинных кадров. Поэтому для своевременного обнаружения коллизии станция прослушивает среду на всем протяжении собственной передачи. Приведем основные правила алгоритма CSMA/CD для передающей станции.

Передача кадра (рис.3 а):

1. Станция, собравшаяся передавать, прослушивает среду, и передает, если среда свободна. В противном случае (т.е. если среда занята), переходит к шагу 2. При передаче нескольких кадров подряд станция выдерживает определенную паузу - межкадровый интервал, причем после каждой такой паузы перед отправкой следующего кадра станция вновь прослушивает среду (возвращение на начало шага 1);

2. Если среда занята, станция продолжает прослушивать среду до тех пор, пока среда не станет свободной, и затем сразу же начинает передачу;

3. Каждая станция, ведущая передачу, прослушивает среду, и, в случае обнаружения коллизии, не прекращает сразу же передачу, а сначала передает короткий специальный сигнал коллизии - jam-сигнал, информируя другие станции о коллизий, и прекращает передачу;

А

б

Рис. 3

4. После передачи jam-сигнала станция замолкает и ждет некоторое произвольное время в соответствии с правилом бинарной экспоненциальной задержки, а затем возвращается к шагу 1.

Межкадровый интервал IFG (interframe gap) составляет 9,6 мкм (12 байт). Он необходим, чтобы принимающая станция могла корректно завершить прием кадра, а если бы станция передавала кадры непрерывно, она бы полностью захватила канал и, тем самым, лишила другие станции возможности передачи.

Jam-сигнал (jamming - дословно глушение). Передача этого сигнала гарантирует, что ни один кадр не будет потерян, так как все узлы, которые передавали кадры до возникновения коллизии, приняв jam-сигнал, прервут свои передачи и замолкнут в ожидании новой попытки передать кадры. Jam-сигнал имеет достаточную длину, чтобы он достигал самых удаленных станций коллизионного домена с учетом дополнительной задержки SF (safety margin) на возможных повторителях. Содержание jam-сигнала не должно соответствовать значению поля CRC частично переданного кадра (802.3), и первые 62 бита должны представлять чередование 1 и 0 со стартовым битом 1.

Рис. 4 иллюстрирует процесс обнаружения коллизии применительно к топологии "шина" (на основе тонкого или толстого коаксиального кабеля - стандарты 10Base5 и 10Base2 соответственно) при использовании схемы CSMA/CD стандарта Ethernet.

Рис. 4

В момент времени t₀ узел A (DTE А) начинает передачу прослушивая свой передаваемый сигнал. В момент времени t₁ когда кадр почти дошел до узла В (DTE В), этот узел, не зная о том, что уже идет передача, сам начинает передавать. В момент времени t₂ = t₁ + , узел В обнаруживает коллизию (увеличивается постоянная составляющая электрического сигнала в прослушиваемой линии). После этого узел В передает jam-сигнал и прекращает передачу. В момент времени t₃ сигнал коллизии доходит до узла А, после чего А также передает jam-сигнал и прекращает передачу.

По стандарту Ethernet узел не может передавать очень короткие кадры и при описании формата кадра если поле данных не заполнено до конца, появляется специальное дополнительное поле, удлиняющее кадр до минимальной длины 64 байта без учета преамбулы.

Время канала ST (slot time) - это минимальное время, в течение которого узел обязан вести передачу, занимать канал. Это время соответствует передаче кадра минимального допустимого размера для стандарта Ethernet IEEE 802.3. Время канала связано с максимальным допустимым расстоянием между узлами сети - диаметром коллизионного домена. Допустим, что в приведенном выше примере реализуется наихудший вариант, когда станции А и В удалены друг от друга на максимальное расстояние. Время распространения сигнала от А до В обозначим через t. Узел А начинает передавать в нулевой момент времени. Узел В начинает передавать в момент времени t₁ = t_p - и обнаруживает коллизию спустя интервал после начала своей передачи. Узел А обнаруживает коллизию в момент времени t₃ = 2t_p - . Для того, чтобы кадр, испущенный А, не был потерян, необходимо, чтобы узел А не прекращал вести передачу к этому моменту, так как тогда, обнаружив коллизию, узел А будет знать, что его кадр не дошел, и попытается передавать его повторно в противном случае, кадр будет потерян. Максимальное время, спустя которое с момента начала передачи узел А еще может обнаружить коллизию, равно 2t_р - это время называется задержкой на двойном пробеге RTD (round-trip delay). В более общем случае, RTD определяет суммарную задержку, связанную как с задержкой из-за конечной длины сегментов, так и с задержкой, возникающей при обработке кадров на физическим уровне промежуточных повторителей и оконечных узлов сети.

В системах телекоммуникации удобно использовать и другую единицу измерения времени: битовое время ВТ (bit time). Время в 1 ВТ соответствует времени, необходимому для передачи одного бита (0,1 мкс при скорости 10 Мбит/с).

В стандарте Ethernet определены правила обнаружения коллизии конечным узлом сети [4]:

1. Узел А должен обнаружить коллизию до того, как передаст свой 512-й бит, включая биты преамбулы;

2. Узел А должен прекратить передачу раньше, чем будет передан кадр минимальной длины - передано 576 бит (512 бит после ограничителя начала кадра SFD);

3. Перекрытие между передачами узлов А и В - битовый интервал, начиная с момента передачи первого бита преамбулы узлом А и заканчивал приемом узлом А последнего бита, испущенного узлом В, - должно быть меньше, чем 575 ВТ.

Последнее условие для сети Ethernet является наиболее важным, поскольку его выполнение автоматически влечет выполнение и первых двух. Это третье условие задает ограничение на диаметр сети. Применительно к задержке на двойном пробеге RTD третье условие можно сформулировать в виде:

RTD < 575 ВТ.

При передаче больших кадров, например 1500 байт, коллизия, если она возникнет, обнаруживается практически в самом начале передачи, не позднее первых 64 переданных байт (если коллизия не возникла в это время, то позже она уже не возникнет, поскольку все-станции прослушивают линию и, "слыша" передачу, будут молчать). Так как jam-сигнал короче полного размера кадра, то при использовании алгоритм CSMA/CD длительность времени незагруженного канала сокращается до времена требуемого на обнаружение коллизии. Раннее обнаружение коллизий повышает эффективность использования канала, а позднее (свойственное более протяженным сетям, когда диаметр коллизионного домена составляет несколько километров), снижает эффективность работы сети. С учетом упрощенной теоретической модели поведения загруженной сети (в предположении большого числа одновременно передающих станций и фиксированной минимальной длины передаваемых кадров у всех станций) можно выразить производительность сети U через отношение RTD/ST, [5]:

U = 1/[(1 + (e 1)RDT/ST] 1/[1 + 1,72RDT/ST],

где е - основание натурального логарифма. Таким образом, производительность сети зависит от размера транслируемых кадров, диаметра сети и в наихудшем случае (когда RDT = ST) составляет около 37%, а в наилучшем случае (когда RTD много меньше, чем ST) стремится к 1. Хотя формула выведена в предположении большого числа станций, пытающихся передавать одновременно, она не учитывает особенностей алгоритма усеченной бинарной экспоненциальной задержки, рассмотренного ниже, и не справедлива для сильно перегруженной коллизиями сети, например, когда станций, желающих передавать, становится больше 15.

Усеченная бинарная экспоненциальная задержка. Алгоритм, принятый в стандарте IEE 802.3 CSMA/CD, наиболее близок к 1-постоянному алгоритму, но отличается дополнительным элементом - усеченной бинарной экспоненциальной задержкой. При возникновении коллизии станция подсчитывает, сколько раз подряд при отправке пакета возникает коллизия. Поскольку повторяющиеся коллизии свидетельствуют о высокой загруженности среды, МАС-узел пытается увеличивать задержку между повторными попытками передачи кадра. Соответствующая процедура увеличения интервалов времени подчиняется правилу усеченной бинарной экспоненциальной задержки и работает следующим образом.

Количество слотовых времен (интервалов по 51,2 мкс), которое станция ждет перед тем, как совершить N-ую попытку передачи (N - 1 попыток были безуспешными из-за коллизий во время передачи), представляет случайное целое число R с однородной функцией распределения в интервале 0 < R < 2К, где К = min(N, BL), и BL (backoff limit) - установленная стандартом предельная задержка, равная 10. Если число последовательных безуспешных попыток отправить кадр достигает 16 (коллизия возникает 16 раз подряд), то кадр сбрасывается.

Алгоритм CSMA/CD с использованием усеченной бинарной экспоненциальной задержи признан лучшим и обеспечивает эффективную работу сети как при малых, так и при средних загрузках. При больших загрузках следует отметить два недостатка. Во-первых, при большом числе коллизий станция 1, которая впервые собирается отправить кадр, имеет преимущество перед станцией 2, которая уже несколько раз безуспешно пыталась передать кадр, натыкаясь на коллизии, поскольку станция 2 ожидает значительное время перед последующими попытками в соответствии с правилом бинарной экспоненциальной задержки. Таким образом, может наблюдаться нерегулярность передачи кадров, что нежелательно для зависящих от времени приложений. Во-вторых, при большой загруженности снижается эффективность работы сети в целом. Можно показать, что при одновременной передаче 25 станциями общая полоса пропускания снижается примерно в 2 раза [6], Но число станций в коллизионном домене может быть больше, поскольку далеко не все они одновременно будут обращаться к среде.

Прием кадра (рис. 7.4 б). Принимающая станция (или другое сетевое устройство, например концентратор или коммутатор), сначало синхронизируется по преамбуле, а затем преобразовывает манчестерский код в бинарную форму (на физическом уровне). Далее обрабатывается бинарный поток.

На уровне MAC оставшиеся биты преамбулы сбрасываются, а станция читает адрес назначения и сравнивает его со своим собственным. Если адреса совпадают, то поля кадра, за исключением преамбулы, SDF и FCS помещаются в буфер и вычисляется контрольная сумма, которая сравнивается с полем контрольной последовательности кадра FCS (используется метод циклического суммирования CRC-32). Если они равны, то содержимое буфера передается протоколу более высокого уровня. В противном случае кадр сбрасывается. Возникновение коллизии при приеме кадра обнаруживается либо по изменению электрического потенциала (если используется коаксиальный сегмент), либо по факту приема дефектного кадра (неверная контрольная сумма), если используется витая пара или ОВ. В обоих случаях принятая информация сбрасывается.

Основные функциональные параметры стандарта Ethernet IEEE 802.3 приведены в табл. 1.

Таблица 1

Битовая скорость, Мбит/с	10 (Манчестерское кодирование)
Время слота, мкс (ВТ)	51,2(512)
Межкадровый интервал, мкс (ВТ) ~	9,6 (96)
Предел попыток	16
Предельная задержка	10
Размер jam-сигнала, бит	32
Максимальный размер кадра, байт	1518
Минимальный размер кадра, байт	64
Длительность Jabber-сигнала, при которой повторитель останавливает передачу и изолирует сегмент, мс	20-150

Спецификации физического уровня IEEE 802.3 и типы портов

Первоначально в 1985 году, когда был опубликован стандарт IEEE 802.3, использовались только два типа передающей среды: тонкий коаксиальный кабель (диаметр 6 мм) - стандарт физического интерфейса BNC (10Base-2), и толстый коаксиальный кабель (диаметр 13 мм) - стандарт AUI (10Вазе-5, подключение толстого коаксиального кабеля осуществляется посредством специального трансивера). Позднее появились еще три интерфейса: на витую пару - RJ-45 (10Base-T), на коаксиальный кабель для широкополосных сетей кабельного телевидения сопротивлением 75 Ом - (10Broad36), и на оптическое многомодовое ОВ (пара волокон) - соединители ST (10Base-F). Еще позже появился интерфейс на одномодовое ОВ.

Стандарт 10Base-F подразделяется еще на три спецификации:

- 10Base-FP - определяет топологию пассивной звезды на основе волоконно-оптических сегментов длиной до 1 км и числом станций до 33. При такой топологии каждый удаленный узел связывается с центральным узлом парой ОВ. Сигнал из центрального узла размножается оптическим ответвителем и идет на все удаленные узлы. Сигналы от удаленных узлов идут по обратному ОВ на оптический коммутатор (комбайнер), после чего попадают на вход центрального узла. При приходе одновременно нескольких сигналов на центральный узел возникает коллизия, которая разрешается стандартным путем.

- 10Base-FB. Эта спецификация определяет двухволоконный канал протяженностью до 2 км для создания магистральных сегментов "точка-точка" между повторителями. Она базируется на синхронной системе приема-передачи, обеспечивая восстановление таймерных характеристик и большое число (до 15) последовательно установленных повторителей.

- 10Base-FL - определяет двухволоконный канал протяженностью до 2 км, который может использоваться для установлении соединения "точка-точка" между станцией и повторителем, или между двумя повторителями. Асинхронная система приема-передачи (в отличии от принятой в 10Base-FB) позволяет значительно снизить стоимость оборудования. Появление стандарта на одномодовое ОВ дало возможность строить сверхпротяженные сегменты (до 100 км, дуплексный режим), и сделало более весомыми аргументы в пользу стандарта 10Base-FL. Эта спецификация получила наиболее широкое распространение в современных сетях Ethernet.

В табл. 2 указаны типы физических интерфейсов Ethernet IEEE 802.3 и их основные характеристики (спецификации 10Broad36, 10Base-FP и 10Base-FB далее не рассматриваются ввиду их редкого применения).



2. Основные типы устройств Ethernet

AUI интерфейс и трансиверы Ethernet

Интерфейс AUI (attachment unit interface) - это средонезависимый интерфейс в рамках стандарта Ethernet, который обеспечивает вертикальное взаимодействие между подуровнем физической сигнализации PLS (physical signaling) и подуровнем физического подключения к среде РМА (physical medium attachment), рис. 5. Этот интерфейс может быть либо интегрирован внутри сетевого устройства (тогда наружу предоставляется один из стандартных интерфейсов, например 10Base-T, или 10Base-FL), либо сам выводится наружу.

Таблица 2

Характеристика	10Base5	10Base2	10Base-T	10Base-FL
Порт устройства	AUI	BNC	RJ-45 (MDI или MDI-X)	ST
Среда передачи	Толстый коаксиальный кабель (50 Ом)	Тонкий коаксиальный кабель (75 Ом)	Витая пара UTЗ cat.3 и выше	ОВ ms/mm*
Сигнальный код	Манчестер	Манчестер	Манчестер	Манчестер/ on-of
Физическая топология**	Шина	Шина	Звезда, дерево	Звезда, дерево
Логическая топология	Шина	Шина	Шина	Шина
Максимальная длина сегмента, м	500	185	100	mm - 2000, sm - ***
Количество узлов на сегменте	100 (смешанный сегмент)	30 (смешанный сегмент)	- (соединение "точка-точка")	- (соединение "точка-точка")
Диаметр кабеля	10 мм	5 мм	0,4 - 0,6 мм	62,5/125 мкм, 50/125 мкм

MDI - интерфейс сетевой карты; MDI-X - интерфейс портов повторителя или коммутатора.

Повторитель/коммутатор могут иметь один или несколько портов RJ-45 типа MDI.

* Длина волны 850 нм используется для многомодового (mm) BOK - собственно стандарт 10Base-FL, и 1310 нм - для одномодового (sm) и многомодового ВОК.

** Допустима также смешанная физическая топология, однако логическая топология всегда шина.

*** При использовании одномодового ВОК длина сегмента ограничивается максимальным диаметром коллизионного домена Ethernet. Если связь осуществляется между двумя коммутаторами в режиме полного дуплекса, то расстояние может достигать 100 км.

Отдельное устройство с уровнями РМА и MDI называется трансивером (transceiver) - MAU (media attachment unit, элемент подключения среды). Стандартный разъем со стороны устройства, охватывающего вышележащие уровни, т.е. PLS и выше (таким устройством может быть сетевая карта, коммутатор, концентратор) называется AUI портом, а со стороны устройства, охватывающего нижележащие уровни, т.е. РМА и MDI, - портом MAU.

Порт AUI имеет 15 контактов (гнезд), и соответственно, порт MAU имеет 15-контактный (пиновый) разъем так, что трансивер может непосредственно подключаться к AUI порту сетевого устройства. Допустимо также подключение трансивера стандартным трансиверным интерфейсным кабелем толщиной 1 см, длина которого не должна превышать 50 м. На практике получили распространение упрощенные трансиверные кабели с затуханием, в 4 раза превышающим стандартное. Длина таких кабелей не должна превышать 12,5 м. Из 15 медных жил трансиверного кабеля реально используются только 10 - жилы с порядковыми номерами 4, 7, 8, 14 и 15 не используются. Питание трансивера осуществляется по этому кабелю от порта AUI.

Рис. 5

По типу средозависимого (физического) интерфейса различают четыре разновидности трансиверов MAU: на 10Base5 - трансивер, обеспечивающий подключение толстого коаксиального кабеля, обычно такой трансивер имеет специальные "вампиры" для закрепления на кабеле; на 10Base2 (BNC) - трансивер-переходник для подключения сегмента на тонком коаксиальном кабеле; на 10Base-T (RJ-45) - трансивер для подключения витой пары; на 10Base-FL (две оптические розетки ST) - оптический трансивер для подключения волоконно-оптического кабеля (ВОК). Особенностью трансиверов ВОК и на витую пару является потенциальная поддержка дуплексного режима работы.

Основными поставщиками оптических трансиверов на российском рынке являются фирмы Allied Telesyn [7], NBase [8], SVEC [9], Surecom [10], Transition Networks [11]. Фирма NBase поставляет наиболее широкий спектр оптических трансиверов, от многомодовых с расстоянием до 2 км до одномодовых с расстоянием до 110 км (таблица 3 Технические характеристики волоконно-оптических интерфейсов трансиверов NX300FO производства фирмы NBase).

Таблица 3.

Тип трансивера NX300FO/х	FO/M	FO/MX	FO/S	FO/SX	FO/SY	FO/SZ
Тип ОВ	mm	mm	sm	sm	sm	sm
Длина волны, нм	850	1300	1300	1300	1300	1550
Чувствительность приемника, дБм	-28	-28	-28	-28	-28	-28
Насыщение приемника, дБм	-6	-6	-6	-6	-6	-6
Диапазон значений выходной мощности, дБм (min/max)	-9/-14	-9/-14	-9/-14	-9/-14	-9/-14	-9/-14
Допустимый бюджет линии, дБ (min/max)	9/14	9/14	9/14	18/28	28/34	28/30
Типичное затухание в ОВ на данной длине волны, дБ/км	4	2	0,4	0,4	0,4	0,2
Оценка допустимого расстояния, км	0 - 2	0 - 5	0 - 18	15 - 35	30 - 60	40 - 110

Оптические конвертеры Ethernet UTP (10Base-T/10Base-FL, 10Base2/10Base-FL)

Оптические конвертеры обеспечивают преобразование электрического сигнала из витой пары и тонкого коаксиального кабеля в оптический сигнал, идущий по многомодовому или одномодовому волокну. Конвертер, в отличие от трансивера, должен иметь свой отдельный блок питания. Конвертеры выпускаются как в виде отдельной небольшой коробочки с внешним блоком питания, так и в виде шасси 19", которое может наполняться разнообразными конвертерными модулями. Исполнение в виде шасси особенно удобно при обустройстве центральных оптических узлов сетей с топологией звезды. Разнообразные модули позволяют подключаться как по многомодовому, так и по одномодовому ОВ, как по Ethernet, так и по Fast Ethernet. Для повышения надежности, шасси некоторых производителей имеют резервное питание.

Конвертеры 10Base-T/10Base-FL сразу преобразовывают манчестерский электрический код на входе в манчестерский оптический сигнал на выходе и наоборот, внося минимальную задержку (1-3 бита). Большинство конвертеров могут поддерживать как полудуплексную, так и дуплексную связь, причем в первом случае в устройство внедряется специальный узел обнаружения коллизий. Но фактически, даже при наличии коллизий, канал связи остается дуплексным, а работа устройства не выходит за пределы уровня MDI.

Особенностью оптических конвертеров Ethernet BNC (10Base2/10Base-FL), которые подключаются к коаксиальному сегменту обычно вместо терминатора, является ретрансляция сигнала коллизии в коаксиальный сегмент. Сигнал коллизии генерируется и передается в коаксиальный сегмент всякий раз, когда на конвертер приходят одновременно данные из коаксиального и волоконно-оптического сегментов, или приходит сигнал коллизии по коаксиальному сегменту. В последнем случае говорят, что сигнал коллизии отражается конвертером обратно в коаксиальный сегмент. Фактор отражения приводит к эффективному увеличению длины сегмента в два раза и запрещает установку на обе стороны коаксиального сегмента рассматриваемых конвертеров - с одной стороны обязательно должен быть стандартный терминатор 50 Ом.

Крупными зарубежными производителями оптических конвертеров Ethernet на витую пару являются компании: Adaptec[13], IMC [14], LANCAST, NBase, NetOptics [15], FOCI и др. Крупными поставщиками отечественных конвертеров в России являются компании Ай-Ти, "Вимком-Оптик", СКВ ИРЭ, `Телеком-Комплект-Сервис".

Рабочая станция, сетевая карта

Персональный компьютер (файл-сервер) обычно подключается к сети с помощью сетевой карты или сетевого адаптера NIC (network interface controller, network interface card). Такой компьютер становится сетевой рабочей станцией. Далее также будет использоваться термин сетевой узел DTE (data termination equipment, оконечное оборудования данных).

Простейший способ объединения рабочих станций в сеть (без привлечения других специализированных сетевых устройств) осуществляется на основе тонкого коаксиального кабеля - соответствующие сетевые карты должны иметь порты ВМС. Однако этот способ подключения, а также способ подключения посредством толстого коаксиального кабеля через специальные трансиверы являются устаревшими и преимущественно используются лишь там, где еще сохранились коаксиальные кабельные системы. Наиболее распространенным интерфейсом считается интерфейс RJ-45 на витую пару (тип MDI). Другой интерфейс AUI может использоваться для подключения трансивера Ethernet. В частности, можно использовать оптический трансивер, если рабочая станция удалена на большое расстояние от концентратора или коммутатора.

Волоконно-оптический интерфейс также может непосредственно поддерживаться сетевой картой Ethernet. Каждая сетевая карта Ethernet имеет уникальный номер - МАС-адрес размером 6 байт, который зашит внутрь, и который не может быть изменен. Первые три байта поля служат для идентификации производителя сетевой карты, а последние три байта составляют уникальный номер конкретной сетевой карты.

Повторитель (концентратор)

Повторитель (repeater, в сетях Ethernet чаще используют другой термин - концентратор (hub)) - многопортовое устройство, которое позволяет объединить несколько сегментов. Принимая кадр или сигнал коллизии по одному из своих портов, повторитель перенаправляет его во все остальные порты, рис. 6 а (схема работы повторителя). Типы интерфейсов портов могут быть любые из вышеперечисленных. Распространены устройства с несколькими портами на витую пару (12, 16 и 24 порта RJ-45), одним портом BNC и одним портом AUI. Также популярны миниатюрные повторители, имеющие только порты на витую пару (4RJ-45, или 8RJ-45). Отметим, что повторители Ethernet работают на физическом уровне модели OSI (рис. 6,6 б, структурная схема портов в плане модели OSI), что обеспечивает их низкую стоимость и выгодно этим отличается от концентраторов FDDI (DAC, SAC, NAG), которые охватывают также уровень MAC (нижний подуровень канального уровня модели OSI)

а б

Рис. 6

Порты RJ-45 типа MDI и MDI-X. Порт RJ-45 имеет 8 контактов. Кабель называется прямым, когда контакты 1-8 порта RJ-45 на одной стороне соединены с соответствующими контактами на другой стороне. Соединение прямым кабелем можно осуществлять только между разными типами портов. При этом кабель представлен четырьмя витыми парами, которые принято нумеровать следующим образом: пара 1 - контакты 1, 2; пара 2 - контакты 3, 6; пара 3 - контакты 4, 5; пара 4 - контакты 7, 8.

В стандарте 10Base-T для передачи используются только две витые пары кабеля: 1 и 2, остальные две не задействованы. Интерфейс MDI (или DTE) имеет устройство, которое осуществляет передачу по паре 1 и соответственно прием по паре 2. И наоборот, интерфейс MDI-X имеет устройство, которое осуществляет передачу по паре 2 и соответственно прием по паре 1. Для соединения двух однотипных портов RJ-45 прямой кабель не годится. Вместо него используется кросс-кабель, который обеспечивает соединение контактов 1-3, 2-6, 3-1, 6-2, 4-4, 5-5, 7-7, 8-8.

Большинство RJ-45 портов повторителей делаются типа MDI-X, что позволяет подключать рабочие станции при помощи прямого кабеля. Для удобства обычно один порт повторителя имеет переключатель и может поддерживать режим MDI. Так, в конфигурации сети на рис. 7 связь между повторителями 1 и 2, а также 3 и 2 можно осуществить прямым кабелем, если соответствующие порты RJ-45 повторителей 1 и 3 переключить в режим MDI, (порты повторителя 2 стандартные MDI-X).

Jabber-функция. Каждому узлу сети Ethernet отводится определенное время, в течение которого он должен передать кадр. В нормальных условиях, когда нет коллизий, кадр максимальной длины 1518 байт передается рабочей станцией в течение 1,2 мс. Затем в течение времени межкадрового интервала линия остается свободной. При сильной загруженности сегмента (большое число станций пытаются передавать одновременно, и велико число коллизий) время, в течение которого линия может быть занята, сильно возрастает. Если такой загруженный сегмент подключен к одному из портов повторителя и инициирует длительный сигнал без замолкания (jabber signal - дословно, болтовня), то повторитель прекратит ретрансляцию данных и коллизий из этого сегмента в другие сегменты, таким образом полностью исключив перегруженный сегмент. Для этой цели концентратор поддерживает специальную jabber-функцию. Стандартом установлено не конкретное время срабатывания, а окно приема непрерывного сигнала от 20 до 150 мс, при котором концентратор должен исключать "плохой" сегмент. Jabber-функция - полезное свойство повторителя, на основе которой последний может исключать как перегруженный коллизионный сегмент, так и неисправный сегмент, или неисправную станцию, которые передают длительный сигнал, и, тем самым, предоставляет возможность работать пользователям, подключенным к другим портам [16].

Отметим, что хотя витая пара (10Base-T) и двухволоконный оптический кабель (10Base-FL) являются дуплексными средами, т.е. передача и прием сигнала происходят по независимым каналам, сам по себе повторитель Ethernet не позволяет обеспечить дуплексную передачу и создает вокруг себя коллизионный момент. При этом сеть функционирует так, как будто реализована шинная топология. Сигнал коллизии передается концентратором во все порты, всякий раз, когда на какие-либо его два порта одновременно или почти одновременно начинают поступать данные. Из-за этого пропускная способность концентратора не может быть выше 10 Мбит/с.

Обнаружение коллизий при физической топологией типа "звезда" (стандарты 10Base-T и 10Base-FL) с использованием повторителей несколько отличается от случая, когда используется физическая топология "шина" (стандарты 10Base2 и 10Base5). Поскольку каналы связи по витой паре и по ОВ дуплексные, то накладка сигналов от разных передающих устройств, свойственная коаксиальной кабельной системе и приводящая к изменению постоянной составляющей электрического потенциала в канале связи, исключена. Сигнал коллизии должен специально генерироваться устройством или устройствами, которые обнаружили коллизию. Процедура обнаружения коллизий при физической топологии "звезда" с несколькими повторителями в сети, когда узлы подключены по витой паре или по двухволоконному оптическому кабелю изображена на рис. 7.

А

Б

в

Рис. 7

Если передает только один узел (А), то каждый повторитель ретранслирует каждый получаемый кадр во все остальные свои порты (рис. 7 а). Все остальные узлы коллизионного домена регистрируют передачу кадра, но только один узел, а именно тот, которому адресован кадр (собственный МАС-адрес совпадает со значением поля "адрес назначения"), принимает кадр, и далее передает его содержимое протоколу более высокого уровня. Коллизий нет.

Если два узла (например, А и В) начинают передачу одновременно или почти одновременно, то коллизию обнаруживает повторитель 1 (рис. 7 б), который после этого во все свои порты выдает сигнал наличия коллизии СР (collision presence). Передаваемые узлы А и В обнаруживают коллизию, поскольку принимают другие сигналы во время своих собственных передач, после чего отменяют передачу своих кадров, передают сигналы jam и затем замолкают. Повторитель 1 прекращает передавать сигнал СР, когда на его входные порты перестают поступать сигналы. Повторитель 2, получая сигнал СР от концентратора 1, транслирует его во все остальные порты. То же самое делает повторитель 3.

На рис. 7 в показан пример разрешения коллизии при передаче трех узлов А, В и Е. Зафиксирован момент, когда повторитель 2 уже обнаружил сигнал коллизии CР от повторителя 1 и передачу кадра от узла Е. Поэтому повторитель 2 выдает выходной сигнал СР во все порты. Повторитель 1, получая сигнал по трем портам, выдает сигнал СР во все свои порты.

Итак, повторитель работает следующим образом (рис. 7):

- когда повторитель получает кадр или сигнал СР только на один из своих портов, он транслирует кадр или сигнал СР во все остальные порты (трансляция в остальные порты идет только до тех пор, пока поступают данные на один из портов);

- когда повторитель получает кадры или сигналы СР по двум или более портам, он транслирует сигналы СР во все порты без исключения (трансляция во все порты сигналов СР идет только до тех пор, пока поступает сигнал на два или более портов).

Коммутатор

Коммутатор - многопортовый мост, работающий на втором канальном уровне OSI модели. Его главное назначение - обеспечение разгрузки сети посредством локализации трафика в пределах отдельных сегментов.

Структурной особенностью коммутатора является архитектура без блокирования (non-blocking), которая позволяет установить одновременные множественные связи Ethernet между разными парами портов, причем кадры не теряются в процессе коммутации. Сам трафик между взаимодействующими сетевыми устройствами остается локализованным, что реализуется адресными таблицами, устанавливающими связь каждого порта с адресами сетевых устройств, относящихся к сегменту этого порта, рис. 8 (архитектура Ethernet коммутатора [16]).

Рис. 8

Таблица заполняется в процессе анализа коммутатором адресов станций-отправителей в передаваемых ими кадрах. Кадр передается через коммутатор локально в соответствующий порт только тогда, когда адрес станции назначения, указанный в поле кадра, уже содержится в адресной таблице этого порта. В случае отсутствия адреса станции назначения в таблице, кадр рассылается во все остальные сегменты. Если коммутатор обнаруживает, что МАС-адрес станции назначения у приходящего кадра находится в таблице МАС-адресов, приписанной за портом, по которому пришел данный кадр, то этот кадр сбрасывается - его непосредственно получит станция назначения, находящаяся в том же сегменте. И наконец, если приходящий кадр является широковещательным (broadcast), т.е. если все биты поля МАС-адреса получателя в кадре задаются равными 1, то такой кадр будет размножаться коммутатором (подобно концентратору), т.е. направляться во всё остальные порты.

Различают две альтернативные технологии коммутации кадров (рис. 9):

а- без буферизации (cut-through, также используется термин on-the-fly - на лету);

б - с буферизацией SAF (store-and-forward, также используется термин buffered switching -буферная коммутация).

А

б

Рис. 9

Коммутатор, работающий без буферизации (рис. 9 а), практически сразу же после чтения заголовка, а именно МАС-адреса станции получения и выполнения идентификации, перенаправляет получаемый кадр в нужный порт, не дожидаясь его полного поступления (задержка пакета при переадресации составляет у наиболее быстрых коммутаторов 140-150 ВТ, т.е. 1,4-1,5 мкс). Главный недостаток - в том, что такой коммутатор будет пропускать из одной сети в другую дефектные кадры, так как выявление ошибок может происходить только после чтения всего кадра и сравнения рассчитанной контрольной суммы с той, которая занесена в поле контрольной последовательности кадра. Распространение ошибок в большей степени касается сетей Ethernet с более, чем одним подключенным пользователем на порт. В этом случае протокол Ethernet может генерировать как укороченные, так и поврежденные кадры, поскольку коммутатор не может предвидеть возникновение коллизий в сегменте, из которого поступает кадр.

Современные коммутаторы cut-through используют более прогрессивный метод коммутации, который носит название ICS (interim cut-through switching - промежуточная коммутация на лету). В этом случае отфильтровываются укороченные кадры (с длиной меньше 64 байт - 512 бит). До тех пор пока коммутатор не принял первые 512 бит кадра, он не начинает ретранслировать кадр в соответствующий порт. Если кадр заканчивается раньше, то содержимое буфера очищается, кадр отфильтровывается. Несмотря на увеличение задержки до 512 ВТ и более (> 5,12 мкс), метод ICS значительно лучше традиционного cat-through, поскольку не пропускает укороченные кадры. К главному недостатку ICS относится возможность пропускания дефектных пакетов длиной, больше 64 байт. Поэтому коммутаторы ICS не годятся на роль магистральных коммутаторов.

Коммутатор рис. 9 б, прежде чем начать передачу кадра в порт назначения, полностью принимает его, сохраняет в буфере до тех пор, пока анализируется адрес назначения (destination address, DA) и сравнивается контрольная последовательность кадра FCS, после чего коммутатором принимается решение о том, в какой порт перенаправить кадр или вообще его отфильтровать. Таким образом, коммутации с буферизацией гарантирует передачу только "хороших" кадров. Коммутаторы с портами, работающими на разных скоростях, например Ethernet и Fast Ethernet, равно как и коммутаторы-мосты Ethernet-FDDI могут работать только на основе технологии коммутации с буферизацией. Максимальную задержку имеет кадр наибольшей длины 1512 байт (151264 = 96768 ВТ 1 мс). Однако недостаток, связанный с задержкой кадра на время буферизации, не считается критичным, поскольку идет непрерывный поток кадров. Более того, основная причина задержки связана с пакетными очередями при буферизации на входных и выходных портах коммутатора. Поэтому в настоящее время большее предпочтение со стороны фирм-производителей отдается этой технологии коммутации.

Обратное давление. Входные и выходные буферы требуются коммутатору, чтобы уменьшить количество теряемых кадров при перегруженности одного из выходных портов. Однако это не решает проблемы при длительных передачах. Например, если в порт 1 постоянно передаются данные из портов 2, 3, 5 и скорости передачи по всем портам одинаковые (равны скорости канала), то после заполнения соответствующих буферов кадры начнут теряться - коммутатор будет просто сбрасывать вновь входящие кадры по портам 2, 3 и 5. Потери пакетов означают, что посредством протокола более высокого уровня (например, на уровне сессий для протокола TCP/IP), будет производиться повторная передача кадров, Но поскольку в протоколе функционируют конечные устройства, то времена между первоначальной и повторной передачами кадра могут быть большими. Для предотвращения этого современные коммутаторы обладают функциональной возможностью контроля и управления потоками (flow control) поступающих в порты кадров. Для коммутаторов Ethernet эта функция известна как обратное давление (ВР, back pressure), рис. 10. Ограниченность выходного каналa по порту 1 приводит к заполнению входных буферов на портах 2, 3 и 5. Узел ВР коммутатора, обнаруживая это, начинает передачу пустых кадров в те каналы, от которых переполнялся входные буферы портов. Так, если переполняется входной буфер по порту 2, то пустые кадры коммутатор шлет в сегмент В, "сознательно" создавая коллизии в этом сегменте, в результате которых уменьшается поток кадров от передающего устройства в этом сегменте.

...