Сети ethernet/fast ethernet/gigabit ethernet

Расширение носителя

Символы этого поля не несут служебной информации, но заполняя канал увеличивают "коллизионное окно" и коллизия регистрируется всеми станциями при большем диаметре коллизионного домена.

Если следует передать короткий (меньше 512 байт) кадр, то добавляется поле (расширение носителя), дополняющее кадр до 512 байт. Поле контрольной суммы вычисляется только для оригинального кадра и не распространяется на поле расширения. При приеме кадра поле расширения отбрасывается. Поэтому уровень LLC даже и не знает о наличии поля расширения. Если размер кадра равен или превосходит 512 байт, то поле расширения носителя отсутствует. На рис. 23 показан формат кадра Gigabit Ethernet при использовании расширения носителя (здесь: SFD - Start of frame Delimiter -ограничитель начала кадра, DA - Destination Address - адрес назначения, SA - Source Address - адрес источника, L - длина поля данных (для кадра 8902.3), Т - тип поля данных (для кадра Ethernet_II), FCS - Frame Check Sequence - контрольная последовательность кадра) .

Рис. 23

Пакетная перегруженность

Расширение носителя позволяет сохранить совместимость со стандартом Fast Ethernet и поддержать такой же диаметр коллизионного домена. Но такое решение приводит к затратам полосы пропускания (448 байт (512 - 64) теряется при передаче короткого кадра).

Компанией NBase Communications предложена модернизация стандарта путем введения так называемой пакетной перегруженности (packet bursting), позволяющей эффективно использовать поле расширения. Если у станции/коммутатора имеется несколько небольших кадров для отправки, то первый кадр дополняется полем расширения носителя до 512 байт, и отправляется.

Остальные кадры отправляются вслед с минимальным межкадровым интервалом в 96 бит, с одним важным исключением - межкадровый интервал заполняется символами расширения (рис. 24 а).

Рис. 24

При этом среда не замолкает между посылками коротких кадров, и другие устройства сети не могут вклиниться в передачу. Подобное сопряжение кадров можно выполнять до тех пор, пока полное число переданных байт не превысит 1518. Пакетная перегруженность уменьшать вероятность образования коллизий (поскольку перегруженный кадр может испытать коллизию только на этапе передачи первого оригинального кадра, включая расширение носителя), что увеличивает производительность сети, особенно при больших нагрузках (рис. 24 б).

Типы устройств

В настоящее время поставляется полный перечень сетевых продуктов Gigabit Ethernet: сетевые карты, повторители, коммутаторы, а также маршрутизаторы. Предпочтение отдается устройствам с оптическим интерфейсами (1000Base-FL, 1000Base-SX) Duplex SC. Устройства с интерфейсом 1000Base-T на UTP cat.5 с протяженностью сегментов до 100 м появились в 2000 году.

Сетевая карта Gigabit Ethernet выпускаются на шины PCI, SBus и др. Их основные технические характеристики приведены ниже (на примере сетевой карты G-NIC, выпускаемой фирмой Packet Engines [38]):

- 64/32-разрядный PCI-мастер адаптер обеспечивает на частоте 33 МГц пропускную способность 2 Гбит/с.

- Два независимых процессора, ответственных за прием и передачу пакетов, существенно разгружают центральный процессор рабочей станции.

- Поддержка стандартов IEEE 802.3х дуплексной передачи и IEEE 802.3z обеспечивает максимальную совместимость с другими устройствами.

Поставляются драйверы для операционных систем: Windows 95 (NDIS3); Windows NT (NDIS4, NDIS5, Intel и DEC Alpha процессоры); Novell NetWare (ODI 3.12 или выше); Solaris (2.5x, PCI и SBus); DEC UNIX (4.3 BSD); SGI IRIX (5.3 и 2); HP-UX (10.20); Linux; FreeBSD.

Буферный повторитель. Устройства Ethernet поддерживают дуплексный режим как на физическом уровне, так и на уровне MAC. Но традиционные повторители с портами RJ-45 (10Base-T, 100Base-TX) из-за логической топологии шины внутри себя могут поддерживать только полудуплексный режим, что создает коллизионный домен ограниченного диаметра. Хотя в стандарте Gigabit Ethernet допускается использование традиционных повторителей, более эффективным является применение нового устройства - буферного повторителя. Протокол CSMA/CD реализует метод доступа к сети (но не к сегменту), а буферный повторитель - это многопортовое устройство с дуплексными каналами связи (рис. 25, архитектура буферного повторителя Gigabit Ethernet), где каждый порт имеет входной и выходной буферы.

Рис. 25.

Удаленное устройство, подключенное к повторителю, также должно поддерживать дуплексную связь на физическом и MAC уровнях. Очередной кадр, прибывая на входной порт, размещается в очереди входного буфера порта и далее пересылается в выходные буферы остальных портов (за исключением выходного буфера этого порта). Внутри повторителя отрабатывается протокол CSMA/CD, на основе которого кадры из входных буферов переходят в выходные буферы других портов.

Поскольку в сегментах нет коллизий, ограничения на их длину могут возникать только из-за физических характеристик кабельной системы. В этой связи ВОК представляется более перспективным, чем витая пара, ограниченная длиной 100 м.

Удаленный узел при передаче серии кадров может переполнить входной буфер порта повторителя и привести к потере кадров. Во избежании этого стандартизован основанный на кадрах контроль потока, известный как 802.Зх. Протокол работает на уровне MAC и предназначен для использования в дуплексных линиях.

Буферный повторитель обеспечивает дуплексную связь как и коммутатор, но он не такой дорогой, поскольку является просто расширением традиционного повторители.

Коммутаторы Gigabit Ethernet обладают следующими важными свойствами:

- поддерживают дуплексный режим по всем портам;

- поддерживают контроля потока, основанного на кадрах IEEE 802.Зх;

- имеют порты или модули для организации каналов Ethernet, Fast Ethernet;

- поддерживают физический интерфейс на одномодовом ВОК;

- обеспечивают коммутацию уровня 3;

- поддерживают механизм QoS и протокол RSVP;

- поддерживают стандарт IEEE 802.1q для организации виртуальных сетей.

Производителями оборудования Gigabit Ethernet являются компании: 3Com, Acacia Networks, Alteon Networks, AN-COR, Cabletron, Cisco Systems, Essential Communications, Foundry Networks, GigaLabs, Hewlett Packard, NBase Communications, Packet Engines, Rapid City Communications, XLNT Corp. [39].

8. Внедрение Ethernet к магистральные сети Gigabit Ethernet

Рассмотрим основные сценарии наращивания сетей Ethernet:

- Подключение серверов по каналам Gigabit Ethernet. Заменяется сетевая карта в файл-сервере, а в коммутатор устанавливается Gigabit Ethernet модуль. Дуплексный канал может обеспечить расстояние до 550 м по многомодовому ОВ и до нескольких десятков км по одномодовому ОВ (в перспективе по витой паре UTP сat.5 - до 100 м, см табл. 10). Функция контроля потока 802.Зх при необходимости предотвратит переполнение буферов коммутатора со стороны потоков от файл-сервера.

- Замена канала связи Fast Ethernet между комментаторами на канал Gigabit Ethernet увеличивает пропускную способность и устраняет узкие места всего лишь установкой в коммутаторы по одному модулю Gigabit Ethernet. Поддержка коммутаторами протокола 802.1Q, а также возможности коммутации третьего уровня позволят создавать распределенные виртуальные сети.

- Замена магистральной коммутации Fast Ethernet на Gigabit Ethernet обеспечивает наращиваемость сети на центральном узле введением модульного коммутатора, допускающего установку как модулей с N портами 10/100 Мбит/в (N = 8 - 16), так и модулей с М портами 1000 Мбит/с (М = 4 - 8). В коммутаторах для рабочих станций следует предусмотреть слот для подключения (при наращивании) Gigabit Ethernet up-link модуля. Таким образом, на первом этапе можно строить сеть с коммутацией Fast Ethernet, а позже произвести ее наращивание путем установки соответствующих коммутационных модулей Gigabit Ethernet в магистральный коммутатор и коммутаторы рабочих групп.

В заключении отметим некоторые дополнительные приемы построения магистральных сетей (коммутацию, основанную на кадрах (IEEE 802.Зх); виртуальные сети; тег-коммутацию (IEEE 802.1Q); протокол RSVP и др).

Развитие методов контроля потока. Поскольку простейшая сеть с повторителем Ethernet (рис. 26 а) представляет один коллизионный домен, то ей присущи следующие два свойства: во-первых, диаметр сети должен быть ограничен на основании расчета времени RTD, во-вторых, число рабочих станций (ведущих одновременную передачу) не должно превышать 15 - 25, а соответственно полное число пользователей в зависимости от использования ресурсов сети не должно превышать 50 - 100 на коллизионный домен. При этих условиях в сети Ethernet не будет происходить потерь кадров на уровне MAC и сама сеть будет работать стабильно. Но такое решение не способно удовлетворить крупные организации и тем более магистральные сети.

Поэтому наращивание сети возможно только с использованием коммутаторов (рис. 26 б), обеспечивающих микросегментацию сети, улучшающих ее работу (как при использовании одноранговых приложений, так и при использовании приложений клиент-сервер).

а б в

Рис. 26

При этом скоростной канал Fast Ethernet с сервером имеет преимущества перед Ethernet, так как в приложениях клиент-сервер канал связи с сервером, если он был бы низкоскоростной, мог оказаться узким местом сети. Однако коммутатор может приводить к потери кадров в случае переполнения своих буферов. Потери кадров в небольших сетях не опасны (благодаря протоколам уровня сессий повторная отправка кадра произойдет в короткие сроки) и маловероятны, поскольку контроль потока на основе протоколов более высокого уровня позволяет оптимизировать скорость передачи до того, как начнут переполняться буферы коммутатора. Это требует достаточной буферной емкости. В крупных сетях с большим числом пользователей и большие буферы могут не спасти. Потери кадров в протяженных и крупных сетях не желательны, поскольку на повторную отправку кадра уходит значительно больше времени. Лучшим решением был бы контроль потока на канальном уровне, в пределах стандарта Ethernet, как это реализовано в сети с одним коллизионным доменом. Контроль потока был бы еще более эффективным, если бы он осуществлялся между соседними устройствами (особенно в крупных корпоративных сетях). Именно для этой цели и был разработан механизм обратного давления. Но он требует полудуплексного режима передачи в сегментах своих портов, поскольку использует свойства протокола CSMA/CD, и не способен работать на дуплексных линиях связи.

В то же время только дуплексный Ethernet позволяет увеличить пропускную способность и обеспечить протяженные сегменты на основе оптического волокна (рис. 26 в). Именно для дуплексных каналов "точка-точка" был разработан основанный на кадрах контроль потока (стандарт IEEE 802.3х) - протокол, работающий на уровне MAC. В стандарте Gigabit Ethernet он становится неотъемлемой чертой выпускаемых коммутаторов, буферных повторителей и сетевых карт. Поддержка стандарта 802.3х становится крайне желательной при разработке новых магистральных коммутаторов с портами Fast Ethernet и Ethernet. Подключение рабочих станций к выделенным портам коммутатора по дуплексным каналам, а не через повторитель, более эффективно для организации видеоконференций, компьютерной телефонии и мультимедиа приложений.

Виртуальные сети VLAN (virtual LAN) - логически объединенная группа пользователей сети, в противоположность их физическому объединению, основанному на территориальном признаке и топологии сети. Технологии VLAN наиболее широко используются в коммутируемых сетях, хотя и не исключается применение маршрутизаторов. Объединение пользователей в виртуальные сети может происходить на основе портов, адресов или протоколов.

Основанная на портах виртуальная сеть - наиболее простой способ группирования сетевых устройств. Все удаленные устройства, приписанные к определенным портам коммутатора, независимо от их адресов, протоколов, приложений объединяются в одну виртуальную сеть.

Основанная на адресах виртуальная сеть может поддерживать несколько виртуальных сетей на одном коммутируемом порту. Устройства выделяются в подсети на основе их адресов (обычно МАС-адресов).

Основанная на протоколах виртуальная сеть объединяет в различные логические группы сетевые устройства на основе протоколов IP, IPX и т.д. Устройства, выполняющие такую функцию, обычно работают не на канальном уровне, а на сетевом, и называются маршрутизаторами. Устройства, способные работать с несколькими протоколами, называются мультипротокольными маршрутизаторами.

Построение виртуальных сетей, основанных на портах, долгое время ограничивалось использованием только одного коммутатора в сети, а решения с несколькими коммутаторами были нестандартными. В настоящее время завершена разработка стандарта IEEE 802.1Q, позволяющего строить распределенные виртуальные сети с несколькими коммутаторами. Основой будущего стандарта является тег-коммутация (tag switching) [40]. При передаче кадров между коммутаторами (как для одноадресных, так и для широковещательных) используется специальный теговый формат - добавляются поля, общим объемом 2 байта: идентификатор виртуальной сети ). При передаче кадра от станции А к станции В коммутатор 1 добавляет в указанные поля информацию о виртуальной сети (рис. 27, различные технологии объединения пользователей в виртуальные сети).

Рис. 27

На основании этой информации коммутатор 2 сначала определяет, что кадр предназначен для виртуальной сети V1, затем устраняет эту информацию - самим станциям в пределах виртуального домена она не нужна - и уже на основании МАС-таблицы для виртуальной сети V1 коммутирует кадр в порт для станции В.

Принятие стандарта IEEE 802.1Q позволит разработчикам локальных сетей использовать дополнительные полезные возможности:

- MAC Address Tagging - приписываемая тег-информация зависит от МАС-адреса назначения;

- Frame Type Tagging - приписываемая информация зависит от протоколов более высокого уровня (например, от IP или IPX);

- Layer 3 Tagging - приписываемая информация зависит от установленных IP подсетей;

- Policy-based Tagging - приписываемая информация чувствительна к различным параметрам окружающей обстановки, например, времени суток.

Протокол IEEE 802.1Q после стандартизации используется в стандарте Gigabit Ethernet, и ряд компаний выпускают коммутаторы Gigabit Ethernet, поддерживающие еще не окончательно сформированные спецификации IEEE 802.1Q. ethernet домен магистральный сеть

Протокол RSVP. Локальные сети, первоначально ориентировались на передачу данных, а сегодня они широко используются для передачи мультимедиа приложений, компьютерной телефонии и видеоконференцсвязи. Поэтому встает вопрос минимизации задержек, и регуляризации трафика на узлах коммутации и маршрутизации сети Internet. Протокол RSVP (Resource Reservation Protocol) призван обеспечить необходимое качество обслуживания для полноценной эксплуатации таких приложений. RSVP разработан для работы с протоколом TCP/IP, который является основным для сети Internet.

Оконечный узел на основе протокола RSVP запрашивает у сети определенное качество обслуживания QoS (Quality of Service), необходимое для данного приложения. С целью резервирования необходимых ресурсов, RSVP переносит запрос по сети, обращаясь к каждому узлу, через которые предполагается осуществлять передачу потока данных.

Для резервирования на отдельном узле коммутации/маршрутизации специальная программа - демон RSVP - обращается к двум модулям принятия решения: к модулю управления доступом и к административному модулю (рис. 28 а). Модуль управления доступом определяет, достаточно ли ресурсов на узле, чтобы удовлетворить запрос QoS. Административный модуль выявляет, имеет ли пользователь административное разрешение выполнить резервирование. Если хотя бы одна из проверок не дает положительного результата, программа SVP возвращает на запрашивающий удаленный узел уведомление об ошибке, тем самым отвечая отказом. Если обе проверки положительные, то демон RSVP устанавливает в соответствие с запросом QoS параметры в классификаторе пакетов и планировщике пакетов. Классификатор пакетов определяет класс QoS для каждого пакета, а планировщик пакетов устанавливает порядок движения пакетов, чтобы обеспечить обещанную полосу пропускания на узле.

а б

Рис. 28

Важная особенность RSVP - его масштабируемость до очень больших групп с многоадресной доставкой пакетов, поскольку он использует ориентированные на приемный узел запросы, которые, сливаются по мере их прохождения по многоадресному дереву. Запрос на резервирование канала посылает не узел, собирающийся вести многоадресную трансляцию, каждый из узлов-получателей. Нет необходимости сигналу резервирования следовать по всему дереву до передающего узла, вместо этого сигнал идет только до ближайшего узла, сливаясь с подобными сигналами от других ветвей (рис. 28 б). Хотя протокол RSVP разработан для использования преимущественно в многоадресных приложениях, он может также служить для передачи кадров, имеющих один адрес.

RSVP также разработан с целью увеличения надежности существующих алгоритмов маршрутизации в сети Internet. RSVP не осуществляет свою собственную маршрутизацию, вместо этого он использует лежащие в его основе протоколы маршрутизации, чтобы определить, каким образом следует обеспечивать передачу зарезервированного потока данных. Если маршрутизаторы перенаправляют движения потоков, подстраиваясь под изменяющуюся топологию сети, RSVP привязывает свои резервирования к новым путям независимо от того, действует ли уже данное резервирование или нет.

Технологии Ethernet и ATM в магистральных сетях. Охватывая более высокие уровни модели OSI, протоколы RSVP и IEEE 802.1Q не относятся к стандарту Ethernet, но делают значительно более эффективным его использование, в особенности использование стандарта в ранге магистральных сетей. Главное отличие контроля качества QoS на основе RSVP от QoS, реализованного в технологии ATM, заключается в том, что RSVP рассчитан на работу в дейтаграммных сетях и не требует наличия виртуальных каналов. Потенциально сегодня ATM предоставляет более разнообразные возможности по QoS по сравнению с другими сетевыми технологиями. Однако на практике возможности манипуляции функцией QoS, одной из блестящих черт ATM, в рамках конкретных приложений очень скудны, и не предвидится существенный прогресс в этой области. Очерчены предварительные спецификации будущего стандарта 10G Ethernet (скорость передачи 10 Гбит/с), начало поставок оборудования планировалось на 2001 год [41]. Таким образом, стандарт Ethernet с масштабируемой иерархией 10/100/1000/... становится мощной сетевой технологией, жестко конкурирующей с ATM как на уровне корпоративных, так и магистральных сетей.

Литература

1. Ахромов, Я.В. Системы электронной коммерции; М.: Оникс - , 2007. - 416 c.

2. Блэк, У. Интернет: протоколы безопасности. Учебный курс; СПб: Питер - , 2001. - 288 c.

3. Вандюк, Джон К.; Вестгейт, Мэтт CMS Drupal. Руководство по разработке системы управления сайтом; М.: Вильямс - , 2008. - 400 c.

4. Вейцман, К. Распределенные системы мини- и микро-ЭВМ; М.: Финансы и статистика - , 1983. - 384 c.

5. Вишневский, Алексей Сетевые технологии Windows 2000 для профессионалов; СПб: Питер - , 2000. - 592 c.

6. Вишневский, В.М.; Семенова, О.В. Системы поллинга. Теория и применение в широкополосных беспроводных сетях; М.: Техносфера - , 2007. - 312 c.

7. Вудвард, Дж. Введение в систему NetWare; Рязань: Versus Ltd - , 1992. - 160 c.

8. Досталек, Л.; Кабелова, А. TCP/IP и DNS в теории и на практике. Полное руководство; М.: Наука и техника - , 2006. - 608 c.

9. Евдокимов, Н.В. Основы контентной оптимизации. Эффективная Интернет-коммерция и продвижение сайтов в Интернет; М.: Вильямс - , 2007. - 160 c.

10. Калашников, В.И.; Нефедов, С.В.; Путилин, А.Б. и др. Информационно-измерительная техника и технологии; М.: Высшая школа - , 2002. - 454 c.

11. Кингсли-Хью, К.Э. JavaScript 1.5: учебный курс; СПб: Питер - , 2002. - 272 c.

12. Козье, Д Электронная коммерция; М.: Microsoft Press. Русская Редакция - , 1999. - 288 c.

13. Комер, Д. Принципы функционирования Интернета; СПб: Питер - , 2002. - 384 c.

14. Коцюбинский, А.О. Современный самоучитель работы в сети Интернет. Быстрый старт; Триумф - , 2001. - 320 c.

15. Ли, К. и др. Dns и bind; Символ - , 2008. - 712 c.

16. Рэтлифф, Бад; Баллард, Джейсон Microsoft Internet Security and Acceleration (ISA) Server 2004. Справочник администратора; М.: Русская редакция - , 2006. - 400 c.

17. Флэнаган, Д. JavaScript: подробное руководство; Символ - , 2008. - 992 c.

18. Хиллс, М.Т.; Кано, С. Программирование для электронных систем коммутации; М.: Связь - , 1980. - 248 c.

19. Храмцов, Павел Лабиринт Internet. Практическое руководство; М.: Электроинформ - , 1996. - 256 c.

20. Шварц, М. Сети ЭВМ. Анализ и проектирование; М.: Радио и связь - , 1981. - 336 c.

Размещено на Allbest.ru