Технология Fast Ethernet, её особенности, физический уровень, правила построения. Оборудование Ethernet и Fast Ethernet Метод передачи данных локальной сети fast ethernet

Цели работы

Цель данной работы - изучение принципов технологий Ethernet и Fast Ethernet и практическое освоение методик оценки работоспособности сети,В построенной на базе технологии Fast Ethernet.

Теоретические сведения

Технология Ethernet. Спецификация сети Ethernet была предложена фирмами DEC, Intel и Xerox (DIX) в 1980 г., и несколько позже па ееВ основе появился стандарт IEEE 802.3.

Первые версии Ethernet vl.O и Ethernet v2.0 в качестве среды передачи использовали только коаксиальный кабель. Стандарт IEEE 802.3 позволяетВ в качестве среды передачи использовать также витую пару и оптоволокно.В В 1995 г. был принят стандарт IEEE 802.3u (Fast Ethernet) со скоростьюВ 100 Мбит/с, а в 1997 г. - IEEE 802.3z (Gigabit Ethernet - 1000 Мбит/с).В Осенью 1999 г. принят стандарт IEEE 802.3ab - Gigabit Ethernet на витойВ паре категории 5.

В обозначениях Ethernet (10BASE2, 100BASE-TX и др.) первый элемент обозначает скорость передачи данных в Мбит/с; второй элемент BASEВ означает, что используется прямая (немодулированная) передача; третийВ элемент обозначает округленное значение длины кабеля в сотнях метровВ (10BASE2 - 185 м, 10BASE5 - 500 м) или тип среды передачи (T, ТХ, Т2,В Т4 - витая пара; FX, FL, FB, SX и LX - оптоволокно; СХ - твинаксиаль-ный кабель для Gigabit Ethernet).

В основе Ethernet лежит метод множественного доступа к среде передачи с прослушиванием несущей и обнаружением коллизий - CSMA/CD

• (Carrier Sense with Multiple Access and Collision Detection ), реализуемый адаптерами каждого узла сети на аппаратном или микропрограммном уровне:
• все адаптеры имеют устройство доступа к среде (MAU) - трансивер,В подключенный к общей (разделяемой) среде передачи данных;
• каждый адаптер узла перед передачей информации прослушиваетВ линию до момента отсутствия сигнала (несущей);
• затем адаптер формирует кадр (frame), начинающийся с синхронизирующей преамбулы, за которой следует поток двоичных данных в само-синхронизирующемся (манчестерском) коде;
• другие узлы принимают посланный сигнал, синхронизируютсяВ по преамбуле и декодируют его в последовательность бит;
• окончание передачи кадра определяется обнаружением приемникомВ отсутствия несущей;
• в случае обнаружения коллизии (столкновения двух сигналов от разных узлов) передающие узлы прекращают передачу кадра, после чегоВ через случайный промежуток времени (каждый через свой) осуществляютВ повторную попытку передачи после освобождения линии; при очереднойВ неудаче делается следующая попытка (и так до 16 раз), причем интервалВ задержки увеличивается;
• коллизия обнаруживается приемником по нестандартной длинеВ кадра, которая не может быть меньше 64 байт, не считая преамбулы;
• между кадрами должен обеспечиваться временной зазор (межкадровый или межпакетный промежуток, IPG - inter-packet gap) длительностьюВ 9,6 мкс - узел не имеет права начать передачу раньше, чем через интервалВ IPG, после определения момента пропадания несущей.

Определение 1. Домен коллизий - группа узлов, связанных общей средой (кабелями и повторителями) передачи.

Протяженность домена коллизий ограничивается временем распространения сигнала между наиболее удаленными друг от друга узлами.

Определение 2. Диаметр домена коллизий - расстояние между двумя наиболее удаленными друг от друга оконечными устройствами.

Определение 3. Битовый интервал - время, необходимое для передачи одного бита.

Битовый интервал в Ethernet (при скорости 10 Мбит/с) составляет 0,1 мкс.

Технология Fast Ethernet. В технологии Fast Ethernet величина битового интервала составляет 0,01 мкс, что дает десятикратное увеличение скорости передачи данных. При этом формат кадра, объем переносимыхВ кадром данных и механизм доступа к каналу передачи данных остались безВ изменения по сравнению с Ethernet.

В Fast Ethernet используется среда передачи данных для работы на скорости 100 Мбит/с, которая в спецификации IEEE 802.3u имеет обозначения «100BASE-T4» и «100BASE-TX» (витая пара); «100BASE-FX» и «100BASE-SX» (оптоволокно).

Правила построения сети

Первая модель сети Fast Ethernet. Модель представляет собой, по сути, набор правил построения сети (табл. Л.1):

• - длина каждого сегмента витой пары должна быть меньше 100 м;
• - длина каждого оптоволоконного сегмента должна быть меньше 412 м;
• - если используются кабели МП (Media Independent Interface), то каждый из них должен быть меньше 0,5 м;
• - задержки, вносимые кабелем МП, не учитываются при оценке временных параметров сети, так как они являются составной частью задержек,В вносимых оконечными устройствами (терминалами) и повторителями.

Таблица Л. 1

Предельно допустимый диаметр домена коллизий в Fast Ethernet

Стандартом определены два класса повторителей:

• повторители класса I выполняют преобразование входных сигналовВ в цифровой вид, а при передаче снова перекодируют цифровые данныеВ в физические сигналы; преобразование сигналов в повторителе требуетВ некоторого времени, поэтому в домене коллизий допускается только одинВ повторитель класса I;
• повторители класса II немедленно передают полученные сигналы безВ всякого преобразования, поэтому к ним можно подключать только сегменты,В использующие одинаковые способы кодирования данных; можно использовать не более двух повторителей класса II в одном домене коллизий.

Вторая модель сети Fast Ethernet. Вторая модель содержит последовательность расчетов временных параметров сети при полудуплексном режиме обмена данными. Диаметр домена коллизий и количество сегментов в нем ограничены временем двойного оборота, необходимымВ для правильной работы механизма обнаружения и разрешения коллизийВ (табл. Л.2).

Таблица Л2

Временные задержки компонентов сети Fast Ethernet

Время двойного оборота рассчитывается для наихудшего (в смысле рае-пространения сигнала) пути между двумя узлами домена коллизий. Расчет выполняется путем суммирования временных задержек в сегментах, повторителях и терминалах.

Для вычисления времени двойного оборота нужно умножить длину сегмента на величину удельного времени двойного оборота соответствующего сегмента. Определив времена двойного оборота для всех сегментов наихудшего пути, к ним нужно прибавить задержку, вносимую парой оконечныхВ узлов и повторителями. Для учета непредвиденных задержек к полученному результату рекомендуется добавить еще 4 битовых интервала (би)В и сравнить результат с числом 512. Если полученный результат не превышает 512 би, то сеть считается работоспособной.

Пример расчета конфигурации сети Fast Ethernet. На рис. Л.28 приведен пример одной из предельно допустимых конфигураций сети Fast Ethernet.

Рис. Л.28. Пример допустимой конфигурации сети Fast Ethernet

Диаметр домена коллизий вычисляется как сумма длин сегментов А (100 м), В (5 м) и С (100 м) и равен 205 м. Длина сегмента, соединяющегоВ повторители, может быть более 5 м, если при этом диаметр домена коллизий не превышает допустимый для данной конфигурации предел. Коммутатор (switching hub), входящий в состав сети (см. рис. Л.28), считаетсяВ оконечным устройством, так как коллизии через него не распространяются.В Поэтому 2-километровый сегмент оптоволоконного кабеля, соединяющийВ этот коммутатор с маршрутизатором (router), не учитывается при расчетеВ диаметра домена коллизий сети Fast Ethernet. Сеть удовлетворяет правилам первой модели.

Проверим теперь ее по второй модели. Наихудшие пути в домене коллизий: от DTE1 к DTE2 и от DTE1 к коммутатору (switching hub). Оба пути состоят из трех сегментов на витой паре, соединенных двумя повторителями класса II. Два сегмента имеют предельно допустимую длину 100 м.В Длина сегмента, соединяющего повторители, равна 5 м.

Предположим, что все три рассматриваемых сегмента являются сегментами 100BASE-TX и в них используется витая пара категории 5. В табл. Л.З приведены величины времени двойного оборота для рассматриваемыхВ путей (см. рис. Л.28). Сложив числа из второго столбца этой таблицы, получим 511,96 би - это и будет время двойного оборота для наихудшего пути.

Таблица Л.З

Время двойного оборота сети Fast Ethernet

Следует заметить, что в данном случае нет страхового запаса в 4 би, так как в этом примере используются наихудшие значения задержекВ (см. табл. Л.2). Реальные временные характеристики компонентов FastВ Ethernet могут отличаться в лучшую сторону.

Задание для выполнения

Требуется оценить работоспособность 100-мегабитной сети Fast Ethernet в соответствии с первой и второй моделями. Конфигурации сетиВ приведены в табл. Л.4. Топология сети представлена на рис. Л.29-Л.ЗО.

Таблица Л.4

Варианты заданий

	Сегмент 1	Сегмент 2	Сегмент 3	Сегмент 4	Сегмент 5	Сегмент 6
	100BASETX, 100 м	100BASETX, 95 м	100BASETX, 80 м		100BASETX, 100 м	100BASETX, 100 м

	Сегмент 1	Сегмент 2	Сегмент 3	Сегмент 4	Сегмент 5	Сегмент 6
	ЮОВАБЕ-ТХ, 15 м	ЮОВАБЕ-ТХ, 5 м	ЮОВАЭЕ-ТХ, 5 м	100В АБЕ-ЕХ, 400 м	ЮОВАБЕ-ТХ, 10 м	ЮОВАБЕ-ТХ, 4 м
	ЮОВАБЕ-ТХ, 60 м	ЮОВАБЕ-ТХ, 95 м	ЮОВАБЕ-ТХ, 10 м	ЮОВАБЕ-ТХ, 10 м	ЮОВАБЕ-ТХ, 90 м	ЮОВАБЕ-ТХ, 95 м

Рис. Л.29. Топология сети 1

Рис. Л.30. Топология сети 2

Fast Ethernet

Fast Ethernet - спецификация IEЕЕ 802.3 u официально принятая 26 октября 1995 года определяет стандарт протокола канального уровня для сетей работающих при использовании как медного, так и волоконно-оптического кабеля со скоростью 100Мб/с. Новая спецификация является наследницей стандарта Ethernet IEЕЕ 802.3, используя такой же формат кадра, механизм доступа к среде CSMA/CD и топологию звезда. Эволюция коснулась нескольких элементов конфигурации средств физического уровня, что позволило увеличить пропускную способность, включая типы применяемого кабеля, длину сегментов и количество концентраторов.

Структура Fast Ethernet

Чтобы лучше понять работу и разобраться во взаимодействии элементов Fast Ethernet обратимся к рисунку 1.

Рисунок 1. Система Fast Ethernet

Подуровень управления логической связью (LLC)

В спецификации IEEE 802.3 u функции канального уровня разбиты на два подуровня: управления логической связью (LLC) и уровня доступа к среде (MAC), который будет рассмотрен ниже. LLC, функции которого определены стандартом IEEE 802.2, фактически обеспечивает взаимосвязь с протоколами более высокого уровня, (например, с IP или IPX), предоставляя различные коммуникационные услуги:

• Сервис без установления соединения и подтверждений приема. Простой сервис, который не обеспечивает управления потоком данных или контроля ошибок, а также не гарантирует правильную доставку данных.
• Сервис с установлением соединения. Абсолютно надежный сервис, который гарантирует правильную доставку данных за счет установления соединения с системой-приемником до начала передачи данных и использования механизмов контроля ошибок и управления потоком данных.
• Сервис без установления соединения с подтверждениями приема. Средний по сложности сервис, который использует сообщения подтверждения приема для обеспечения гарантированной доставки, но не устанавливает соединения до передачи данных.

На передающей системе данные, переданные вниз от протокола Сетевого уровня, вначале инкапсулируются подуровнем LLC. Стандарт называет их Protocol Data Unit (PDU, протокольный блок данных). Когда PDU передается вниз подуровню MAC, где снова обрамляется заголовком и постинформацией, с этого момента технически его можно назвать кадром. Для пакета Ethernet это означает, что кадр 802.3 помимо данных Сетевого уровня содержит трехбайтовый заголовок LLC. Таким образом, максимально допустимая длина данных в каждом пакете уменьшается с 1500 до 1497 байтов.

Заголовок LLC состоит из трех полей:

В некоторых случаях кадры LLC играют незначительную роль в процессе сетевого обмена данными. Например, в сети, использующей TCP/IP наряду с другими протоколами, единственная функция LLC может заключаться в предоставлении возможности кадрам 802.3 содержать заголовок SNAP, подобно Ethertype указывающий протокол Сетевого уровня, которому должен быть передан кадр. В этом случае все PDU LLC задействуют ненумерованный информационный формат. Однако другие высокоуровневые протоколы требуют от LLC более расширенного сервиса. Например, сессии NetBIOS и несколько протоколов NetWare используют сервисы LLC с установлением соединения более широко.

Заголовок SNAP

Принимающей системе необходимо определить, какой из протоколов Сетевого уровня должен получить входящие данные. В пакетах 802.3 в рамках PDU LLC применяется еще один протокол, называемый Sub - Network Access Protocol (SNAP, протокол доступа к подсетям).

Заголовок SNAP имеет длину 5 байт и располагается непосредственно после заголовка LLC в поле данных кадра 802.3, как показано на рисунке. Заголовок содержит два поля.

Код организации. Идентификатор организации или производителя - это 3-байтовое поле, которое принимает такое же значение, как первые 3 байта МАС-адреса отправителя в заголовке 802.3.

Локальный код. Локальный код - это поле длиной 2 байта, которое функционально эквивалентно полю Ethertype в заголовке Ethernet II.

Подуровень согласования

Как было сказано ранее Fast Ethernet это эволюционировавший стандарт. MAC рассчитанный на интерфейс AUI, необходимо преобразовать для интерфейса MII, используемого в Fast Ethernet, для чего и предназначен этот подуровень.

Управление доступом к среде ( MAC)

Каждый узел в сети Fast Ethernet имеет контроллер доступа к среде (Media Access Controller - MAC). MAC имеет ключевое значение в Fast Ethernet и имеет три назначения:

Самым важным из трех назначений MAC является первое. Для любой сетевой технологии, которая использует общую среду, правила доступа к среде, определяющие, когда узел может передавать, являются ее основной характеристикой. Разработкой правил доступа к среде занимаются несколько комитетов IЕЕЕ. Комитет 802.3, часто именуемый комитетом Ethernet, определяет стандарты на ЛВС, в которых используются правила под названием CSMA/ CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection - множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов).

CSMS/ CD являются правилами доступа к среде как для Ethernet, так и для Fast Ethernet. Именно в этой области две технологии полностью совпадают.

Поскольку все узлы в Fast Ethernet совместно используют одну и ту же среду, передавать они могут лишь тогда, когда наступает их очередь. Определяют эту очередь правила CSMA/ CD.

CSMA/ CD

Контроллер MAC Fast Ethernet, прежде чем приступить к передаче, прослушивает несущую. Несущая существует лишь тогда, когда другой узел ведет передачу. Уровень PHY определяет наличие несущей и генерирует сообщение для MAC. Наличие несущей говорит о том, что среда занята и слушающий узел (или узлы) должны уступить передающему.

MAC, имеющий кадр для передачи, прежде чем передать его, должен подождать некоторый минимальный промежуток времени после окончания предыдущего кадра. Это время называется межпакетной щелью (IPG, interpacket gap) и продолжается 0,96 микросекунды, то есть десятую часть от времени передачи пакета обычной Ethernet со скоростью 10 Мбит/с (IPG - единственный интервал времени, всегда определяемый в микросекундах, а не во времени бита) рисунок 2.

Рисунок 2. Межпакетная щель

После окончания пакета 1 все узлы ЛВС обязаны подождать в течение времени IPG, прежде чем смогут передавать. Временной интервал между пакетами 1 и 2, 2 и 3 на рис. 2 - это время IPG. После завершения передачи пакета 3 ни один узел не имел материала для обработки, поэтому временной интервал между пакетами 3 и 4 длиннее, чем IPG.

Все узлы сети должны соблюдать эти правила. Даже если на узле имеется много кадров для передачи и данный узел является единственным передающим, то после пересылки каждого пакета он должен выждать в течение, по крайней мере, времени IPG.

Именно в этом заключается часть CSMA правил доступа к среде Fast Ethernet. Короче говоря, многие узлы имеют доступ к среде и используют несущую для контроля ее занятости.

В ранних экспериментальных сетях применялись именно эти правила, и такие сети работали очень хорошо. Тем не менее, использование лишь CSMA привело к возникновению проблемы. Часто два узла, имея пакет для передачи и прождав время IPG, начинали передавать одновременно, что приводило к искажению данных с обеих сторон. Такая ситуация называется коллизией (collision) или конфликтом.

Для преодоления этого препятствия ранние протоколы использовали достаточно простой механизм. Пакеты делились на две категории: команды и реакции. Каждая команда, переданная узлом, требовала реакции. Если в течение некоторого времени (называемого периодом тайм-аута) после передачи команды реакция на нее не была получена, то исходная команда подавалась вновь. Это могло происходить по нескольку раз (предельное количество тайм-аутов), прежде чем передающий узел фиксировал ошибку.

Эта схема могла прекрасно работать, но лишь до определенного момента. Возникновение конфликтов приводило к резкому снижению производительности (измеряемой обычно в байтах в секунду), потому что узлы часто простаивали в ожидании ответов на команды, никогда не достигающие пункта назначения. Перегрузка сети, увеличение количества узлов напрямую связаны с ростом числа конфликтов и, следовательно, со снижением производительности сети.

Проектировщики ранних сетей быстро нашли решение этой проблемы: каждый узел должен устанавливать факт потери переданного пакета путем обнаружения конфликта (а не ожидать реакции, которая никогда не последует). Это означает, что потерянные в связи с конфликтом пакеты должны быть немедленно переданы вновь до окончания времени тайм-аута. Если узел передал последний бит пакета без возникновения конфликта, значит, пакет передан успешно.

Метод контроля несущей хорошо сочетать с функцией обнаружения коллизий. Коллизии все еще продолжают происходить, но на производительности сети это не отражается, так как узлы быстро избавляются от них. Группа DIX, разработав правила доступа к среде CSMA/CD для Ethernet, оформила их в виде простого алгоритма - рисунок 3.

Рисунок 3. Алгоритм работы CSMA/CD

Устройство физического уровня ( PHY)

Поскольку Fast Ethernet может использовать различный тип кабеля, то для каждой среды требуется уникальное предварительное преобразование сигнала. Преобразование также требуется для эффективной передачи данных: сделать передаваемый код устойчивым к помехам, возможным потерям, либо искажениям отдельных его элементов (бодов), для обеспечения эффективной синхронизации тактовых генераторов на передающей или приемной стороне.

Подуровень кодирования ( PCS)

Кодирует/декодирует данные поступающие от/к уровня MAC с использованием алгоритмов или .

Подуровни физического присоединения и зависимости от физической среды ( PMА и PMD)

Подуровни РМА и PMD осуществляют связь между подуровнем PSC и интерфейсом MDI, обеспечивая формирование в соответствии с методом физического кодирования: или .

Подуровень автопереговоров (AUTONEG)

Подуровень автопереговоров позволяет двум взаимодействующим портам автоматически выбирать наиболее эффективный режим работы: дуплексный или полудуплексный 10 или 100 Мб/с. Физический уровень

Стандарт Fast Ethernet определяет три типа среды передачи сигналов Ethernet со скоростью 100 Мбит/с.

• 100Base-TX - две витые пары проводов. Передача осуществляется в соответствии со стандартом передачи данных в витой физической среде, разработанным ANSI (American National Standards Institute - Американский национальный институт стандартов). Витой кабель для передачи данных может быть экранированным, либо неэкранированным. Использует алгоритм кодирования данных 4В/5В и метод физического кодирования MLT-3.
• 100Base-FX - две жилы, волоконно-оптического кабеля. Передача также осуществляется в соответствии со стандартом передачи данных в волоконно-оптической среде, которой разработан ANSI. Использует алгоритм кодирования данных 4В/5В и метод физического кодирования NRZI.

Спецификации 100Base-TX и 100Base-FX известны также как 100Base-X

• 100Base-T4 - это особая спецификация, разработанная комитетом IEEE 802.3u . Согласно этой спецификации, передача данных осуществляется по четырем витым парам телефонного кабеля, который называют кабелем UTP категории 3. Использует алгоритм кодирования данных 8В/6Т и метод физического кодирования NRZI.

Дополнительно стандарт Fast Ethernet включает рекомендации по использованию кабеля экранированной витой пары категории 1, который является стандартным кабелем, традиционно использующимся в сетях Token Ring. Организация поддержки и рекомендации по использованию кабеля STP в сети Fast Ethernet предоставляют способ перехода на Fast Ethernet для покупателей, имеющих кабельную разводку STP.

Спецификация Fast Ethernet включает также механизм автосогласования, позволяющий порту узла автоматически настраиваться на скорость передачи данных - 10 или 100 Мбит/с. Этот механизм основан на обмене рядом пакетов с портом концентратора или переключателя.

Среда 100Base-TX

В качестве среды передачи 100Base-TX применяются две витые пары, причем одна пара используется для передачи данных, а вторая - для их приема. Поскольку спецификация ANSI TP - PMD содержит описания как экранированных, так и неэкранированных витых пар, то спецификация 100Base-TX включает поддержку как неэкранированных, так и экранированных витых пар типа 1 и 7.

Разъем MDI (Medium Dependent Interface)

Интерфейс канала 100Base-TX, зависящий от среды, может быть одного из двух типов. Для кабеля на неэкранированных витых парах в качестве разъема MDI следует использовать восьмиконтактный разъем RJ 45 категории 5. Этот же разъем применяется и в сети 10Base-T, что обеспечивает обратную совместимость с существующими кабельными разводками категории 5. Для экранированных витых пар в качестве разъема MDI необходимо использовать разъем STP IBM типа 1, который является экранированным разъемом DB9. Такой разъем обычно применяется в сетях Token Ring.

Кабель UTP категории 5(e)

В интерфейсе среды UTP 100Base-TX применяются две пары проводов. Для минимизации перекрестных наводок и возможного искажения сигнала оставшиеся четыре провода не должны использоваться с целью передачи каких-либо сигналов. Сигналы передачи и приема для каждой пары являются поляризованными, причем один провод передает положительный (+), а второй - отрицательный (-) сигнал. Цветовая маркировка проводов кабеля и номера контактов разъема для сети 100Base-TX приведены в табл. 1. Хотя уровень PHY 100Base-TX разрабатывался после принятия стандарта ANSI TP-PMD, однако номера контактов разъема RJ 45 были изменены для согласования со схемой разводки, уже использующейся в стандарте 10Base-T. В стандарте ANSI TP-PMD контакты 7 и 9 применяются для приема данных, в то время как в стандартах 100Base-TX и 10Base-T для этого предназначены контакты 3 и 6. Такая разводка обеспечивает возможность использования адаптеров 100Base-TX вместо адаптеров 10 Base - T и их подключения к тем же кабелям категории 5 без изменений разводки. В разъеме RJ 45 используемые пары проводов подключаются к контактам 1, 2 и 3, 6. Для правильного подключения проводов следует руководствоваться их цветовой маркировкой.

Таблица 1. Назначение контактов разъема MDI кабеля UTP 100Base-TX

Узлы взаимодействуют друг с другом путем обмена кадрами (frames). В Fast Ethernet кадр является базовой единицей обмена по сети - любая информация, передаваемая между узлами, помещается в поле данных одного или нескольких кадров. Пересылка кадров от одного узла к другому возможна лишь при наличии способа однозначной идентификации всех узлов сети. Поэтому каждый узел в ЛВС имеет адрес, который называется его МАС-адресом. Этот адрес уникален: никакие два узла локальной сети не могут иметь один и тот же МАС-адрес. Более того, ни в одной из технологий ЛВС (за исключением ARCNet) никакие два узла в мире не могут иметь одинаковый МАС-адрес. Любой кадр содержит, по крайней мере, три основные порции информации: адрес получателя, адрес отправителя и данные. Некоторые кадры имеют и другие поля, но обязательными являются лишь три перечисленные. На рисунке 4 отражена структура кадра Fast Ethernet.

Рисунок 4. Структура кадра Fast Ethernet

• адрес получателя - указывается адрес узла, получающего данные;
• адрес отправителя - указывается адрес узла, пославшего данные;
• длина/Тип (L/T - Length/Type) - содержится информация о типе передаваемых данных;
• контрольная сумма кадра (PCS - Frame Check Sequence) - предназначена для проверки корректности полученного принимающим узлом кадра.

Минимальный объем кадра составляет 64 октета, или 512 битов (термины октет и байт - синонимы). Максимальный объем кадра равен 1518 октетам, или 12144 битам.

Адресация кадров

Каждый узел в сети Fast Ethernet имеет уникальный номер, который называется МАС-адресом (MAC address) или адресом узла. Этот номер состоит из 48 битов (6 байтов), присваивается сетевому интерфейсу во время изготовления устройства и программируется в процессе инициализации. Поэтому сетевые интерфейсы всех ЛВС, за исключением ARCNet, которая использует 8-битовые адреса, присваиваемые сетевым администратором, имеют встроенный уникальный МАС-адрес, отличающийся от всех остальных МАС-адресов на Земле и присваиваемый производителем по согласованию с IEEE.

Чтобы облегчить процесс управления сетевыми интерфейсами, IEEE было предложено разделить 48-битовое поле адреса на четыре части, как показано на рисунке 5. Первые два бита адреса (биты 0 и 1) являются флажками типа адреса. Значение флажков определяет способ интерпретации адресной части (биты 2 - 47).

Рисунок 5. Формат МАС-адреса

Бит I/G называется флажком индивидуального/группового адреса и показывает, каким (индивидуальным или групповым) является адрес. Индивидуальный адрес присваивается только одному интерфейсу (или узлу) в сети. Адреса, у которых бит I/G установлен в 0 - это МАС-адреса или адреса узла. Если бит I/O установлен в 1, то адрес относится к групповым и обычно называется многопунктовым адресом (multicast address) или функциональным адресом (functional address). Групповой адрес может быть присвоен одному или нескольким сетевым интерфейсам ЛВС. Кадры, посланные по групповому адресу, получают или копируют все обладающие им сетевые интерфейсы ЛВС. Многопунктовые адреса позволяют послать кадр подмножеству узлов локальной сети. Если бит I/O установлен в 1, то биты от 46 до 0 трактуются как многопунктовый адрес, а не как поля U/ L, OUI и OUA обычного адреса. Бит U/L называется флажком универсального/местного управления и определяет, как был присвоен адрес сетевому интерфейсу. Если оба бита, I/O и U/ L, установлены в 0, то адрес является уникальным 48-битовым идентификатором, описанным ранее.

OUI (organizationally unique identifier - организационно уникальный идентификатор). IEEE присваивает один или несколько OUI каждому производителю сетевых адаптеров и интерфейсов. Каждый производитель отвечает за правильность присвоения OUA (organizationally unique address - организационно уникальный адрес), который должно иметь любое созданное им устройство.

При установке бита U/L адрес является локально управляемым. Это означает, что он задается не производителем сетевого интерфейса. Любая организация может создать свой МАС-адрес сетевого интерфейса путем установки бита U/ L в 1, а битов со 2-го по 47-й в какое-нибудь выбранное значение. Сетевой интерфейс, получив кадр, первым делом декодирует адрес получателя. При установлении в адресе бита I/O уровень MAC получит этот кадр лишь в том случае, если адрес получателя находится в списке, который хранится на узле. Этот прием позволяет одному узлу отправить кадр многим узлам.

Существует специальный многопунктовый адрес, называемый широковещательным адресом. В 48-битовом широковещательном IEEE-адресе все биты установлены в 1. Если кадр передается с широковещательным адресом получателя, то все узлы сети получат и обработают его.

Поле Длина/Тип

Поле L/T (Length/Type - Длина/Тип) применяется в двух различных целях:

• для определения длины поля данных кадра, исключая любое дополнение пробелами;
• для обозначения типа данных в поле данных.

Значение поля L/T, находящееся в интервале между 0 и 1500, является длиной поля данных кадра; более высокое значение указывает на тип протокола.

Вообще поле L/T является историческим осадком стандартизации Ethernet в IEEE, породившим ряд проблем с совместимостью оборудования выпущенного до 1983. Сейчас Ethernet и Fast Ethernet никогда не использует поля L/T. Указанное поле служит лишь для согласования с программным обеспечением, обрабатывающим кадры (то есть с протоколами). Но единственным подлинно стандартным предназначением поля L/T является использование его в качестве поля длины - в спецификации 802.3 даже не упоминается о возможном его применении как поля типа данных. Стандарт гласит: "Кадры со значением поля длины, превышающим определенное в пункте 4.4.2, могут быть проигнорированы, отброшены или использованы частным образом. Использование данных кадров выходит за пределы этого стандарта".

Подводя итог сказанному, заметим, что поле L/T является первичным механизмом, по которому определяется тип кадра. Кадры Fast Ethernet и Ethernet, в которых значением поля L/T задается длина (значение L/T 802.3, кадры, в которых значением этого же поля устанавливается тип данных (значение L/T > 1500), называются кадрами Ethernet - II или DIX .

Поле данных

В поле данных содержится информация, которую один узел пересылает другому. В отличие от других полей, хранящих весьма специфические сведения, поле данных может содержать почти любую информацию, лишь бы ее объем составлял не менее 46 и не более 1500 байтов. Как форматируется и интерпретируется содержимое поля данных, определяют протоколы.

Если необходимо переслать данные длиной менее 46 байтов, уровень LLC добавляет в их конец байты с неизвестным значением, называемые незначащими данными (pad data). В результате длина поля становится равной 46 байтам.

Если кадр имеет тип 802.3, то в поле L/T указывается значение объема действительных данных. Например, если пересылается 12-байтовое сообщение, то поле L/T хранит значение 12, а в поле данных находятся и 34 добавочных незначащих байта. Добавление незначащих байтов инициирует уровень LLC Fast Ethernet, и обычно реализуется аппаратно.

Средства уровня MAC не задают содержимое поля L/T - это делает программное обеспечение. Установка значения этого поля почти всегда производится драйвером сетевого интерфейса.

Контрольная сумма кадра

Контрольная сумма кадра (PCS - Frame Check Sequence) позволяет убедиться в том, что полученные кадры не повреждены. При формировании передаваемого кадра на уровне MAC используется специальная математическая формула CRC (Cyclic Redundancy Check - циклический избыточный код), предназначенная для вычисления 32-разрядного значения. Полученное значение помещается в поле FCS кадра. На вход элемента уровня MAC, вычисляющего CRC, подаются значения всех байтов кадра. Поле FCS является первичным и наиболее важным механизмом обнаружения и исправления ошибок в Fast Ethernet. Начиная с первого байта адреса получателя и заканчивая последним байтом поля данных.

Значения полей DSAP и SSAP

Значения DSAP/SSAP			Описание
			Indiv LLC Sublayer Mgt
			Group LLC Sublayer Mgt
			SNA Path Control
			Reserved (DOD IP)
			ISO CLNS IS 8473
			Алгоритм кодирования 8В6Т преобразует восьмибитовый октет данных (8B) в шестибитовый тернарный символ (6T). Кодовые группы 6Т предназначены для передачи параллельно по трем витым парам кабеля, поэтому эффективная скорость передачи данных по каждой витой паре составляет одну треть от 100 Мбит/с, то есть 33,33 Мбит/с. Скорость передачи тернарных символов по каждой витой паре составляет 6/8 от 33,3 Мбит/с, что соответствует тактовой частоте 25 МГц. Именно с такой частотой работает таймер интерфейса МП. В отличие от бинарных сигналов, которые имеют два уровня, тернарные сигналы, передаваемые по каждой паре, могут иметь три уровня. Таблица кодировки символов Линейный код Символ MLT-3 Multi Level Transmission - 3 (многоуровневая передача) - немного схож с кодом NRZ, но в отличии от последнего имеет три уровня сигнала. Единице соответствует переход с одного уровня сигнала на другой, причем изменение уровня сигнала происходит последовательно с учетом предыдущего перехода. При передаче “нуля” сигнал не меняется. Этот код, так же как и NRZ нуждается в предварительном кодировании. Составлено по материалам: Лаем Куин, Ричард Рассел "Fast Ethernet"; К. Заклер "Компьютерные сети"; В.Г. и Н.А. Олифер "Компьютерные сети";

Введение

Целью создания данного доклада являлось краткое и доступное изложение основных принципов работы и особенности компьютерных сетей, на примере Fast Ethernet.

Сетью называется группа соединенных компьютеров и других устройств. Основное назначение компьютерных сетей - совместное использование ресурсов и осуществление интерактивной связи как внутри одной фирмы, так и за ее пределами. Ресурсы - это данные, приложения и периферийные устройства, такие, как внешний дисковод, принтер, мышь, модем или джойстик. Понятие интерактивной связи компьютеров подразумевает обмен сообщениями в реальном режиме времени.

Существует множество наборов стандартов передачи данных в компьютерных сетях. Одним из наборов является стандарт Fast Ethernet.

Из данного материала вы узнаете о:

• · Технологии Fast Ethernet
• · Коммутаторах
• · FTP кабеле
• · Типы соединений
• · Топологиях компьютерной сети

В своей работе, я покажу принципы работы сети, основанной на стандарте Fast Ethernet.

Коммутация локальных вычислительных сетей (ЛВС) и технологии Fast Ethernet были разработаны в ответ на потребность в повышении эффективности функционирования сетей Ethernet. Путем повышения пропускной способности эти технологии могут устранять «узкие места» в сети и поддерживать приложения, требующие большой скорости передачи данных. Привлекательность этих решений состоит в том, что вам не нужно выбирать то или другое. Они являются взаимодополняющими, так что эффективность функционирования сети чаще всего можно повысить путем использования обеих технологий.

Собранная информация будет полезен, как лицам, начинающим изучать компьютерные сети, так и сетевым администраторам.

1. Схема сети

2. Технология Fast Ethernet

компьютерный сеть fast ethernet

Fast Ethernet - результат развития технологии Ethernet. Базируясь и сохраняя в неприкосновенности тот же метод CSMA/CD (коллективный доступ с опросом канала и обнаружением коллизий), устройства Fast Ethernet работают со скоростью, в 10 раз превышающей скорость Ethernet. 100 Мбит/с. Fast Ethernet обеспечивает достаточную пропускную способность для таких приложений как системы автоматизированного проектирования и производства (CAD/CAM), графика и обработка изображений, мультимедиа. Fast Ethernet совместим с 10 Мбит/с Ethernet, так что интеграцию Fast Ethernet в вашу ЛВС удобнее осуществить с помощью коммутатора, а не маршрутизатора.

Switch(коммутатор)

С помощью коммутаторов многие рабочие группы могут быть соединены между собой для формирования большой ЛВС (см. схему 1). Недорогие коммутаторы работают лучше, чем маршрутизаторы, обеспечивая более высокую эффективность функционирования ЛВС. Рабочие группы Fast Ethernet, включающие в себя один или два концентратора, могут соединяться через коммутатор Fast Ethernet с целью дальнейшего увеличения числа пользователей, а также охвата более обширной площади.

Как пример, рассмотрим следующий коммутатор:

Рис. 1 D-Link-1228/ME

Серия коммутаторов DES-1228/ME включает в себя настраиваемые коммутаторы Fast Ethernet уровня 2 «premium» класса. Обладая расширенным функционалом, устройства DES-1228/ME являются недорогим решением по созданию безопасной и высокопроизводительной сети. Отличительными особенностями данного коммутатора являются высокая плотность портов, 4 гигабитных порта Uplink, небольшой шаг изменения настроек для управления полосой пропускания и улучшенное сетевое управление. Эти коммутаторы позволяют оптимизировать сеть как по функционалу, так и по стоимостным характеристикам. Коммутаторы серии DES-1228/ME являются оптимальным решением как по функционалу, так и по стоимостным характеристикам.

FTP кабель

Кабель LAN-5EFTP-BL состоит из 4-х пар одножильных медных проводников.

Диаметр проводника 24AWG.

Каждый проводник заключен в изоляцию HDPE (полиэтилен высокой плотности).

Два проводника, скрученных со специально подобранным шагом, составляют одну витую пару.

4 витых пары обернуты полиэтиленовой пленкой и вместе с медным одножильным заземляющим проводником заключены в общий экран из фольги и оболочку из ПВХ (PVC).

Прямой соединение (straight through)

Оно служит:

• 1. Для подключения компьютера к коммутатору (хабу, свитчу) через сетевую карту компьютера
• 2. Для подключения к коммутатору (хабу, свитчу) сетевого периферийного оборудования - принтеры, сканнеры
• 3. для UPLINK"а на выше стоящий коммутатор (хаб, свитч) - современные коммутаторы автоматически могут настраивать входы в разъеме на прием-передачу

Перекрестное соединение(crossover)

Оно служит:

• 1. Для прямого соединения 2-х компьютеров в локальную сеть, без использования коммутационного оборудования (хабы, свитчи, маршрутизаторы и прочее).
• 2. для uplink, подключения к выше стоящему коммутатору в сложной по структуре локальной сети, для старых типов коммутаторов (хабов, свитчей), у них есть отдельный разъем, так и помеченный «UPLINK» или знаком Х.

Топология звезда

Звездам - базовая топология компьютерной сети, в которой все компьютеры сети присоединены к центральному узлу (обычно коммутатор), образуя физический сегмент сети. Подобный сегмент сети может функционировать как отдельно, так и в составе сложной сетевой топологии (как правило, «дерево»). Весь обмен информацией идет исключительно через центральный компьютер, на который таким способом возлагается очень большая нагрузка, поэтому ничем другим, кроме сети, он заниматься не может. Как правило, именно центральный компьютер является самым мощным, и именно на него возлагаются все функции по управлению обменом. Никакие конфликты в сети с топологией звезда в принципе не возможны, потому что управление полностью централизовано.

Приложение

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 ISA (8 Мбайт/с) или EISA (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 PCI (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 l00VG-AnyLAN. Они отличаются степенью преемственности с классическим Ethernet.

В 1992 году группа производителей сетевого оборудования, включая таких лидеров технологии Ethernet, как SynOptics, 3Com и ряд других, образовали некоммерческое объединение Fast Ethernet Alliance для разработки стандарта новой технологии, которая должна была в максимально возможной степени сохранить особенности технологии Ethernet.

Второй лагерь возглавили компании Hewlett-Packard и AT&T, которые предложили воспользоваться удобным случаем для устранения некоторых известных недостатков технологии Ethernet. Через некоторое время к этим компаниям присоединилась компания IBM, которая внесла свой вклад предложением обеспечить в новой технологии некоторую совместимость с сетями Token Ring.

В комитете 802 института IEEE 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 IEEE изучила 100-мегабитные решения, предложенные различными производителями. Наряду с предложениями Fast Ethernet Alliance группа рассмотрела также и высокоскоростную технологию, предложенную компаниями Hewlett-Packard и AT&T.

В центре дискуссий была проблема сохранения случайного метода доступа CSMA/CD. Предложение Fast Ethernet Alliance сохраняло этот метод и тем самым обеспечивало преемственность и согласованность сетей 10 Мбит/с и 100 Мбит/с. Коалиция HP и AT&T, 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 IEEE 802.12.

Осенью 1995 года обе технологии стали стандартами IEEE. Комитет IEEE 802.3 принял спецификацию Fast Ethernet в качестве стандарта 802.3и, 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 l00VG-AnyLAN, которая использует новый метод доступа Demand Priority и поддерживает кадры двух форматов - Ethernet и Token Ring.

v Физический уровень технологии Fast Ethernet

Все отличия технологии Fast Ethernet от Ethernet сосредоточены на физическом уровне (рис. 3.20). Уровни MAC и LLC 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 вызвана 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.

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 l0Base-T/l0Base-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.

По сравнению с вариантами физической реализации Ethernet (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 802.3и установил три различных спецификации для физического уровня Fast Ethernet и дал им следующие названия:

Структура физического уровня Fast Ethernet

• · 100Base-TX для двухпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP категории 5 или экранированной витой паре STP Type 1;
• · 100Base-T4 для четырехпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP категории 3, 4 или 5;
• · 100Base-FX для многомодового оптоволоконного кабеля, используются два волокна.

Для всех трех стандартов справедливы следующие утверждения и характеристики.

• · Форматы кадров технологии Fast Ethernetee отличаются от форматов кадров технологий 10-мегабитного Ethernet.
• · Межкадровый интервал (IPG) равен 0,96 мкс, а битовый интервал равен 10 нс. 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 MAC, 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:
• o уровень согласования (reconciliation sublayer);
• o независимый от среды интерфейс (Media Independent Interface, Mil);
• o устройство физического уровня (Physical layer device, PHY).

Уровень согласования нужен для того, чтобы уровень MAC, рассчитанный на интерфейс AUI, смог работать с физическим уровнем через интерфейс МП.

Устройство физического уровня (PHY) состоит, в свою очередь, из нескольких подуровней (см. рис. 3.20):

• · подуровня логического кодирование данных, преобразующего поступающие от уровня MAC 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 (PMD), которые обеспечивают формирование сигналов в соответствии с методом физического кодирования, например NRZI или MLT-3;
• · подуровня автопереговоров, который позволяет двум взаимодействующим портам автоматически выбрать наиболее эффективный режим работы, например, полудуплексный или полнодуплексный (этот подуровень является факультативным).

Интерфейс МП поддерживает независимый от физической среды способ обмена данными между подуровнем MAC и подуровнем PHY. Этот интерфейс аналогичен по назначению интерфейсу AUI классического Ethernet за исключением того, что интерфейс AUI 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 МП располагается между подуровнем MAC и подуровнями кодирования сигнала, которых в стандарте Fast Ethernet три - FX, ТХ и Т4.

Разъем МП в отличие от разъема AUI имеет 40 контактов, максимальная длина кабеля МП составляет один метр. Сигналы, передаваемые по интерфейсу МП, имеют амплитуду 5 В.

Физический уровень 100Base-FX - 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 (R х) и от передатчика (Т х).

Между спецификациями l00Base-FX и l00Base-TX есть много общего, поэтому общие для двух спецификаций свойства будут даваться под обобщенным названием l00Base-FX/TX.

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 l00Base-FX/TX. При этом методе каждые 4 бита данных подуровня MAC (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 l00Base-FX/TX.

Для отделения кадра Ethernet от символов Idle используется комбинация символов Start Delimiter (пара символов J (11000) и К (10001) кода 4В/5В, а после завершения кадра перед первым символом Idle вставляется символ Т.

Непрерывный поток данных спецификаций 100Base-FX/ТХ

После преобразования 4-битовых порций кодов MAC в 5-битовые порции физического уровня их необходимо представить в виде оптических или электрических сигналов в кабеле, соединяющем узлы сети. Спецификации l00Base-FX и l00Base-TX используют для этого различные методы физического кодирования - NRZI и MLT-3 соответственно (как и в технологии FDDI при работе через оптоволокно и витую пару).

Физический уровень 100Base-TX - витая пара DTP Cat 5 или STP Type 1, две пары

В качестве среды передачи данных спецификация l00Base-TX использует кабель UTP категории 5 или кабель STP Type 1. Максимальная длина кабеля в обоих случаях - 100 м.

Основные отличия от спецификации l00Base-FX - использование метода MLT-3 для передачи сигналов 5-битовых порций кода 4В/5В по витой паре, а также наличие функции автопереговоров (Auto-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 Auto-negotiation сегодня является стандартом технологии l00Base-T. До этого производители применяли различные собственные схемы автоматического определения скорости работы взаимодействующих портов, которые не были совместимы. Принятую в качестве стандарта схему Auto-negotiation предложила первоначально компания National Semiconductor под названием NWay.

Всего в настоящее время определено 5 различных режимов работы, которые могут поддерживать устройства l00Base-TX или 100Base-T4 на витых парах;

• · l0Base-T - 2 пары категории 3;
• · l0Base-T full-duplex - 2 пары категории 3;
• · l00Base-TX - 2 пары категории 5 (или Type 1ASTP);
• · 100Base-T4 - 4 пары категории 3;
• · 100Base-TX full-duplex - 2 пары категории 5 (или Type 1A STP).

Режим l0Base-T имеет самый низкий приоритет при переговорном процессе, а полнодуплексный режим 100Base-T4 - самый высокий. Переговорный процесс происходит при включении питания устройства, а также может быть инициирован в любой момент модулем управления устройства.

Устройство, начавшее процесс auto-negotiation, 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 auto-negotuiation и также может поддерживать предложенный режим, он отвечает пачкой импульсов FLP, 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 l0Base-T, каждые 16 мс посылает манчестерские импульсы для проверки целостности линии, связывающей его с соседним узлом. Такой узел не понимает запрос FLP, который делает ему узел с функцией Auto-negotiation, и продолжает посылать свои импульсы. Узел, получивший в ответ на запрос FLP только импульсы проверки целостности линии, понимает, что его партнер может работать только по стандарту l0Base-T, и устанавливает этот режим работы и для себя.

Физический уровень 100Base-T4 - витая пара UTP Cat 3, четыре пары

Спецификация 100Base-T4 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 100Base-T4 появилась позже других спецификаций физического уровня Fast Ethernet. Разработчики этой технологии в первую очередь хотели создать физические спецификации, наиболее близкие к спецификациям l0Base-T и l0Base-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 l00VG-AnyLAN 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 l00Base-TX и l00Base-FX 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 MAC кодируются 6-ю троичными цифрами (ternary symbols), то есть цифрами, имеющими три состояния. Каждая троичная цифра имеет длительность 40 нс. 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 100Base-T4 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 MDI сетевого адаптера 100Base-T4 с портом MDI-X концентратора (приставка Х 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 MDI к порту MDI-X, пара 3 -6 - для приема данных портом MDI от порта MDI-X, а пары 4 -5 и 7 -8 являются двунаправленными и используются как для приема, так и для передачи, в зависимости от потребности.

Соединение узлов по спецификации 100Base-T4

Fast Ethernet – спецификация IEЕЕ 802.3 u официально принятая 26 октября 1995 года определяет стандарт протокола канального уровня для сетей работающих при использовании как медного, так и волоконно-оптического кабеля со скоростью 100Мб/с. Новая спецификация является наследницей стандарта Ethernet IEЕЕ 802.3, используя такой же формат кадра, механизм доступа к среде CSMA/CD и топологию звезда. Эволюция коснулась нескольких элементов конфигурации средств физического уровня, что позволило увеличить пропускную способность, включая типы применяемого кабеля, длину сегментов и количество концентраторов.

Физический уровень

Стандарт Fast Ethernet определяет три типа среды передачи сигналов Ethernet со скоростью 100 Мбит/с.

· 100Base-TX - две витые пары проводов. Передача осуществляется в соответствии со стандартом передачи данных в витой физической среде, разработанным ANSI (American National Standards Institute - Американский национальный институт стандартов). Витой кабель для передачи данных может быть экранированным, либо неэкранированным. Использует алгоритм кодирования данных 4В/5В и метод физического кодирования MLT-3.

· 100Base-FX - две жилы, волоконно-оптического кабеля. Передача также осуществляется в соответствии со стандартом передачи данных в волоконно-оптической среде, которой разработан ANSI. Использует алгоритм кодирования данных 4В/5В и метод физического кодирования NRZI.

· 100Base-T4 - это особая спецификация, разработанная комитетом IEEE 802.3u . Согласно этой спецификации, передача данных осуществляется по четырем витым парам телефонного кабеля, который называют кабелем UTP категории 3. Использует алгоритм кодирования данных 8В/6Т и метод физического кодирования NRZI.

Многомодовый кабель

В волоконно-оптическом кабеле этого типа используется волокно с сердцевиной диаметром 50, либо 62,5 микрометра и внешней оболочкой толщиной 125 микрометров. Такой кабель называется многомодовым оптическим кабелем с волокнами 50/125 (62,5/125) микрометров. Для передачи светового сигнала по многомодовому кабелю применяется светодиодный приемопередатчик с длиной волны 850 (820) нанометров. Если многомодовый кабель соединяет два порта переключателей, работающих в полнодуплексном режиме, то он может иметь длину до 2000 метров.

Одномодовый кабель

Одномодовый волоконно-оптический кабель имеет меньший, чем у многомодового, диаметр сердцевины - 10 микрометра, и для передачи по одномодовому кабелю используется лазерный приемопередатчик, что в совокупности обеспечивает эффективную передачу на большие дистанции. Длина волны передаваемого светового сигнала близка к диаметру сердцевины, который равен 1300 нанометрам. Это число известно как длина волны нулевой дисперсии. В одномодовом кабеле дисперсия и потери сигнала очень незначительны, что позволяет передавать световые сигналы на большие расстояния, нежели в случае применения многомодового волокна.

38. Технология Gigabit Ethernet, общая характеристика, спецификация физической среды, основные понятия.
3.7.1. Общая характеристика стандарта

Достаточно быстро после появления на рынке продуктов Fast Ethernet сетевые интеграторы и администраторы почувствовали определенные ограничения при построении корпоративных сетей. Во многих случаях серверы, подключенные по 100-мегабитному каналу, перегружали магистрали сетей, работающие также на скорости 100 Мбит/с - магистрали FDDI и Fast Ethernet. Ощущалась потребность в следующем уровне иерархии скоростей. В 1995 году более высокий уровень скорости могли предоставить только коммутаторы ATM, а при отсутствии в то время удобных средств миграции этой технологии в локальные сети (хотя спецификация LAN Emulation - LANE была принята в начале 1995 года, практическая ее реализация была впереди) внедрять их в локальную сеть почти никто не решался. Кроме того, технология ATM отличалась очень высоким уровнем стоимости.

Поэтому логичным выглядел следующий шаг, сделанный IEEE, - через 5 месяцев после окончательного принятия стандарта Fast Ethernet в июне 1995 года исследовательской группе по изучению высокоскоростных технологий IEEE было предписано заняться рассмотрением возможности выработки стандарта Ethernet с еще более высокой битовой скоростью.

Летом 1996 года было объявлено о создании группы 802.3z для разработки протокола, максимально подобного Ethernet, но с битовой скоростью 1000 Мбит/с. Как и в случае Fast Ethernet, сообщение было воспринято сторонниками Ethernet с большим энтузиазмом.

Основной причиной энтузиазма была перспектива такого же плавного перевода магистралей сетей на Gigabit Ethernet, подобно тому, как были переведены на Fast Ethernet перегруженные сегменты Ethernet, расположенные на нижних уровнях иерархии сети. К тому же опыт передачи данных на гигабитных скоростях уже имелся, как в территориальных сетях (технология SDH), так и в локальных - технология Fibre Channel, которая используется в основном для подключения высокоскоростной периферии к большим компьютерам и передает данные по волоконно-оптическому кабелю со скоростью, близкой к гигабитной, посредством избыточного кода 8В/10В.

Первая версия стандарта была рассмотрена в январе 1997 года, а окончательно стандарт 802.3z был принят 29 июня 1998 года на заседании комитета IEEE 802.3. Работы по реализации Gigabit Ethernet на витой паре категории 5 были переданы специальному комитету 802.3аb, который уже рассмотрел несколько вариантов проекта этого стандарта, причем с июля 1998 года проект приобрел достаточно стабильный характер. Окончательное принятие стандарта 802.3ab ожидается в сентябре 1999 года.

Не дожидаясь принятия стандарта, некоторые компании выпустили первое оборудование Gigabit Ethernet на оптоволоконном кабеле уже к лету 1997 года.

Основная идея разработчиков стандарта Gigabit Ethernet состоит в максимальном сохранении идей классической технологии Ethernet при достижении битовой скорости в 1000 Мбит/с.

Так как при разработке новой технологии естественно ожидать некоторых технических новинок, идущих в общем русле развития сетевых технологий, то важно отметить, что Gigabit Ethernet, так же как и его менее скоростные собратья, на уровне протокола не будет поддерживать:

• качество обслуживания;
• избыточные связи;
• тестирование работоспособности узлов и оборудования (в последнем случае - за исключением тестирования связи порт - порт, как это делается для Ethernet 10Base-T и 10Base-F и Fast Ethernet).

Все три названных свойства считаются весьма перспективными и полезными в современных сетях, а особенно в сетях ближайшего будущего. Почему же авторы Gigabit Ethernet отказываются от них?

Главная идея разработчиков технологии Gigabit Ethernet состоит в том, что существует и будет существовать весьма много сетей, в которых высокая скорость магистрали и возможность назначения пакетам приоритетов в коммутаторах будут вполне достаточны для обеспечения качества транспортного обслуживания всех клиентов сети. И только в тех редких случаях, когда и магистраль достаточно загружена, и требования к качеству обслуживания очень жесткие, нужно применять технологию ATM, которая действительно за счет высокой технической сложности дает гарантии качества обслуживания для всех основных видов трафика.

39. Структурная кабельная система применяемая в сетевых технологиях.
Структурированная кабельная система (Structured Cabling System, SCS) - это набор коммутационных элементов (кабелей, разъемов, коннекторов, кроссовых панелей и шкафов), а также методика их совместного использования, которая позволяет создавать регулярные, легко расширяемые структуры связей в вычислительных сетях.

Структурированная кабельная система представляет своего рода «конструктор», с помощью которого проектировщик сети строит нужную ему конфигурацию из стандартных кабелей, соединенных стандартными разъемами и коммутируемых на стандартных кроссовых панелях. При необходимости конфигурацию связей можно легко изменить - добавить компьютер, сегмент, коммутатор, изъять ненужное оборудование, а также поменять соединения между компьютерами и концентраторами.

При построении структурированной кабельной системы подразумевается, что каждое рабочее место на предприятии должно быть оснащено розетками для подключения телефона и компьютера, даже если в данный момент этого не требуется. То есть хорошая структурированная кабельная система строится избыточной. В будущем это может сэкономить средства, так как изменения в подключении новых устройств можно производить за счет перекоммутации уже проложенных кабелей.

Типичная иерархическая структура структурированной кабельной системы включает:

• горизонтальные подсистемы (в пределах этажа);
• вертикальные подсистемы (внутри здания);
• подсистему кампуса (в пределах одной территории с несколькими зданиями).

Горизонтальная подсистема соединяет кроссовый шкаф этажа с розетками пользователей. Подсистемы этого типа соответствуют этажам здания. Вертикальная подсистема соединяет кроссовые шкафы каждого этажа с центральной аппаратной здания. Следующим шагом иерархии является подсистема кампуса, которая соединяет несколько зданий с главной аппаратной всего кампуса. Эта часть кабельной системы обычно называется магистралью (backbone).

Использование структурированной кабельной системы вместо хаотически проложенных кабелей дает предприятию много преимуществ.

· Универсальность. Структурированная кабельная система при продуманной организации может стать единой средой для передачи компьютерных данных в локальной вычислительной сети, организации локальной телефонной сети, передачи видеоинформации и даже передачи сигналов от датчиков пожарной безопасности или охранных систем. Это позволяет автоматизировать многие процессы контроля, мониторинга и управления хозяйственными службами и системами жизнеобеспечения предприятия.

· Увеличение срока службы. Срок морального старения хорошо структурированной кабельной системы может составлять 10-15 лет.

· Уменьшение стоимости добавления новых пользователей и изменения их мест размещения. Известно, что стоимость кабельной системы значительна и определяется в основном не стоимостью кабеля, а стоимостью работ по его прокладке. Поэтому более выгодно провести однократную работу по прокладке кабеля, возможно, с большим запасом по длине, чем несколько раз выполнять прокладку, наращивая длину кабеля. При таком подходе все работы по добавлению или перемещению пользователя сводятся к подключению компьютера к уже имеющейся розетке.

· Возможность легкого расширения сети. Структурированная кабельная система является модульной, поэтому ее легко расширять. Например, к магистрали можно добавить новую подсеть, не оказывая никакого влияния на существующие подсети. Можно заменить в отдельной подсети тип кабеля независимо от остальной части сети. Структурированная кабельная система является основой для деления сети на легко управляемые логические сегменты, так как она сама уже разделена на физические сегменты.

· Обеспечение более эффективного обслуживания. Структурированная кабельная система облегчает обслуживание и поиск неисправностей по сравнению с шинной кабельной системой. При шинной организации кабельной системы отказ одного из устройств или соединительных элементов приводит к трудно локализуемому отказу всей сети. В структурированных кабельных системах отказ одного сегмента не действует на другие, так как объединение сегментов осуществляется с помощью концентраторов. Концентраторы диагностируют и локализуют неисправный участок.

· Надежность. Структурированная кабельная система имеет повышенную надежность, поскольку производитель такой системы гарантирует не только качество ее отдельных компонентов, но и их совместимость.

40. Концентраторы и сетевые адаптеры, принципы, использование, основные понятия.
Концентраторы вместе с сетевыми адаптерами, а также кабельной системой представляют тот минимум оборудования, с помощью которого можно создать локальную сеть. Такая сеть будет представлять собой общую разделяемую среду

Сетевой адаптер (Network Interface Card, NIC) вместе со своим драйвером реализует второй, канальный уровень модели открытых систем в конечном узле сети - компьютере. Более точно, в сетевой операционной системе пара адаптер и драйвер выполняет только функции физического и МАС-уровней, в то время как LLC-уровень обычно реализуется модулем операционной системы, единым для всех драйверов и сетевых адаптеров. Собственно так оно и должно быть в соответствии с моделью стека протоколов IEEE 802. Например, в ОС Windows NT уровень LLC реализуется в модуле NDIS, общем для всех драйверов сетевых адаптеров, независимо от того, какую технологию поддерживает драйвер.

Сетевой адаптер совместно с драйвером выполняют две операции: передачу и прием кадра.

В адаптерах для клиентских компьютеров значительная часть работы перекладывается на драйвер, тем самым адаптер оказывается проще и дешевле. Недостатком такого подхода является высокая степень загрузки центрального процессора компьютера рутинными работами по передаче кадров из оперативной памяти компьютера в сеть. Центральный процессор вынужден заниматься этой работой вместо выполнения прикладных задач пользователя.

Сетевой адаптер перед установкой в компьютер необходимо конфигурировать. При конфигурировании адаптера обычно задаются номер прерывания IRQ, используемого адаптером, номер канала прямого доступа к памяти DMA (если адаптер поддерживает режим DMA) и базовый адрес портов ввода/вывода.

Практически во всех современных технологиях локальных сетей определено устройство, которое имеет несколько равноправных названий - концентратор (concentrator), хаб (hub), повторитель (repeater). В зависимости от области применения этого устройства в значительной степени изменяется состав его функций и конструктивное исполнение. Неизменной остается только основная функция - это повторение кадра либо на всех портах (как определено в стандарте Ethernet), либо только на некоторых портах, в соответствии с алгоритмом, определенным соответствующим стандартом.

Концентратор обычно имеет несколько портов, к которым с помощью отдельных физических сегментов кабеля подключаются конечные узлы сети - компьютеры. Концентратор объединяет отдельные физические сегменты сети в единую разделяемую среду, доступ к которой осуществляется в соответствии с одним из рассмотренных протоколов локальных сетей - Ethernet, Token Ring и т. п. Так как логика доступа к разделяемой среде существенно зависит от технологии, то для каждого типа технологии выпускаются свои концентраторы - Ethernet; Token Ring; FDDI и 100VG-AnyLAN. Для конкретного протокола иногда используется свое, узкоспециализированное название этого устройства, более точно отражающее его функции или же использующееся в силу традиций, например, для концентраторов Token Ring характерно название MSAU.

Каждый концентратор выполняет некоторую основную функцию, определенную в соответствующем протоколе той технологии, которую он поддерживает. Хотя эта функция достаточно детально определена в стандарте технологии, при ее реализации концентраторы разных производителей могут отличаться такими деталями, как количество портов, поддержка нескольких типов кабелей и т. п.

Кроме основной функции концентратор может выполнять некоторое количество дополнительных функций, которые либо в стандарте вообще не определены, либо являются факультативными. Например, концентратор Token Ring может выполнять функцию отключения некорректно работающих портов и перехода на резервное кольцо, хотя в стандарте такие его возможности не описаны. Концентратор оказался удобным устройством для выполнения дополнительных функций, облегчающих контроль и эксплуатацию сети.

41. Использование мостов и коммутаторов, принципы, особенности, примеры, ограничения
Структуризация с помощью мостов и коммутаторов

сеть можно разделить на логические сегменты с помощью устройств двух типов - мостов (bridge) и/или коммутаторов (switch, switching hub).

Мост и коммутатор - это функциональные близнецы. Оба эти устройства продвигают кадры на основании одних и тех же алгоритмов. Мосты и коммутаторы используют два типа алгоритмов: алгоритм прозрачного моста (transparent bridge), описанного в стандарте IEEE 802.1D, либо алгоритм моста с маршрутизацией от источника (source routing bridge) компании IBM для сетей Token Ring. Эти стандарты были разработаны задолго до появления первого коммутатора, поэтому в них используется термин «мост». Когда же на свет появилась первая промышленная модель коммутатора для технологии Ethernet, то она выполняла тот же алгоритм продвижения кадров IEEE 802.ID, который был с десяток лет отработан мостами локальных и глобальных сетей

Основное отличие коммутатора от моста заключается в том, что мост обрабатывает кадры последовательно, а коммутатор - параллельно. Это обстоятельство связано с тем, что мосты появились в те времена, когда сеть делили на небольшое количество сегментов, а межсегментный трафик был небольшим (он подчинялся правилу 80 на 20 %).

Сегодня мосты по-прежнему работают в сетях, но только на достаточно медленных глобальных связях между двумя удаленными локальными сетями. Такие мосты называются удаленными мостами (remote bridge), и алгоритм их работы ничем не отличается от стандарта 802.1D или Source Routing.

Прозрачные мосты умеют, кроме передачи кадров в рамках одной технологии, транслировать протоколы локальных сетей, например Ethernet в Token Ring, FDDI в Ethernet и т. п. Это свойство прозрачных мостов описано в стандарте IEEE 802.1H.

В дальнейшем будем называть устройство, которое продвигает кадры по алгоритму моста и работает в локальной сети, современным термином «коммутатор». При описании же самих алгоритмов 802.1D и Source Routing в следующем разделе будем по традиции называть устройство мостом, как собственно оно в этих стандартах и называется.

42. Коммутаторы для локальных сетей, протоколы, режимы работы, примеры.
Каждый из 8 портов 10Base-T обслуживается одним процессором пакетов Ethernet - ЕРР (Ethernet Packet Processor). Кроме того, коммутатор имеет системный модуль, который координирует работу всех процессоров ЕРР. Системный модуль ведет общую адресную таблицу коммутатора и обеспечивает управление коммутатором по протоколу SNMP. Для передачи кадров между портами используется коммутационная матрица, подобная тем, которые работают в телефонных коммутаторах или мультипроцессорных компьютерах, соединяя несколько процессоров с несколькими модулями памяти.

Коммутационная матрица работает по принципу коммутации каналов. Для 8 портов матрица может обеспечить 8 одновременных внутренних каналов при полудуплексном режиме работы портов и 16 - при полнодуплексном, когда передатчик и приемник каждого порта работают независимо друг от друга.

При поступлении кадра в какой-либо порт процессор ЕРР буферизует несколько первых байт кадра, чтобы прочитать адрес назначения. После получения адреса назначения процессор сразу же принимает решение о передаче пакета, не дожидаясь прихода остальных байт кадра.

Если же кадр нужно передать на другой порт, то процессор обращается к коммутационной матрице и пытается установить в ней путь, связывающий его порт с портом, через который идет маршрут к адресу назначения. Коммутационная матрица может это сделать только в том случае, когда порт адреса назначения в этот момент свободен, то есть не соединен с другим портом.Если же порт занят, то, как и в любом устройстве с коммутацией каналов, матрица в соединении отказывает. В этом случае кадр полностью буферизуется процессором входного порта, после чего процессор ожидает освобождения выходного порта и образования коммутационной матрицей нужного пути.После того как нужный путь установлен, в него направляются буферизованные байты кадра, которые принимаются процессором выходного порта. Как только процессор выходного порта получает доступ к подключенному к нему сегменту Ethernet по алгоритму CSMA/CD, байты кадра сразу же начинают передаваться в сеть. Описанный способ передачи кадра без его полной буферизации получил название коммутации «на лету» («on-the-fly») или «напролет» («cut-through»). Главной причиной повышения производительности сети при использовании коммутатора является параллельная обработка нескольких кадров.Этот эффект иллюстрирует рис. 4.26. На рисунке изображена идеальная в отношении повышения производительности ситуация, когда четыре порта из восьми передают данные с максимальной для протокола Ethernet скоростью 10 Мб/с, причем они передают эти данные на остальные четыре порта коммутатора не конфликтуя - потоки данных между узлами сети распределились так, что для каждого принимающего кадры порта есть свой выходной порт. Если коммутатор успевает обрабатывать входной трафик даже при максимальной интенсивности поступления кадров на входные порты, то общая производительность коммутатора в приведенном примере составит 4x10 = 40 Мбит/с, а при обобщении примера для N портов - (N/2)xlO Мбит/с. Говорят, что коммутатор предоставляет каждой станции или сегменту, подключенным к его портам, выделенную пропускную способность протокола.Естественно, что в сети не всегда складывается такая ситуация, которая изображена на рис. 4.26. Если двум станциям, например станциям, подключенным к портам 3 и 4, одновременно нужно записывать данные на один и тот же сервер, подключенный к порту 8, то коммутатор не сможет выделить каждой станции поток данных по 10 Мбит/с, так как порт 5 не может передавать данные со скоростью 20 Мбит/с. Кадры станций будут ожидать во внутренних очередях входных портов 3 и 4, когда освободится порт 8 для передачи очередного кадра. Очевидно, хорошим решением для такого распределения потоков данных было бы подключение сервера к более высокоскоростному порту, например Fast Ethernet.Так как главное достоинство коммутатора, благодаря которому он завоевал очень хорошие позиции в локальных сетях, это его высокая производительность, то разработчики коммутаторов стараются выпускать так называемые неблокирующие (non-blocking) модели коммутаторов.

43. Алгоритм работы прозрачного моста.
Прозрачные мосты незаметны для сетевых адаптеров конечных узлов, так как они самостоятельно строят специальную адресную таблицу, на основании которой можно решить, нужно передавать пришедший кадр в какой-либо другой сегмент или нет. Сетевые адаптеры при использовании прозрачных мостов работают точно так же, как и в случае их отсутствия, то есть не предпринимают никаких дополнительных действий, чтобы кадр прошел через мост. Алгоритм прозрачного моста не зависит от технологии локальной сети, в которой устанавливается мост, поэтому прозрачные мосты Ethernet работают точно так же, как прозрачные мосты FDDI.

Прозрачный мост строит свою адресную таблицу на основании пассивного наблюдения за трафиком, циркулирующим в подключенных к его портам сегментах. При этом мост учитывает адреса источников кадров данных, поступающих на порты моста. По адресу источника кадра мост делает вывод о принадлежности этого узла тому или иному сегменту сети.

Рассмотрим процесс автоматического создания адресной таблицы моста и ее использования на примере простой сети, представленной на рис. 4.18.

Рис. 4.18. Принцип работы прозрачного моста

Мост соединяет два логических сегмента. Сегмент 1 составляют компьютеры, подключенные с помощью одного отрезка коаксиального кабеля к порту 1 моста, а сегмент 2 - компьютеры, подключенные с помощью другого отрезка коаксиального кабеля к порту 2 моста.

Каждый порт моста работает как конечный узел своего сегмента за одним исключением - порт моста не имеет собственного МАС-адреса. Порт моста работает в так называемом неразборчивом (promisquous) режиме захвата пакетов, когда все поступающие на порт пакеты запоминаются в буферной памяти. С помощью такого режима мост следит за всем трафиком, передаваемым в присоединенных к нему сегментах, и использует проходящие через него пакеты для изучения состава сети. Так как в буфер записываются все пакеты, то адрес порта мосту не нужен.

В исходном состоянии мост ничего не знает о том, компьютеры с какими МАС-адресами подключены к каждому из его портов. Поэтому в этом случае мост просто передает любой захваченный и буферизованный кадр на все свои порты за исключением того, от которого этот кадр получен. В нашем примере у моста только два порта, поэтому он передает кадры с порта 1 на порт 2, и наоборот. Когда мост собирается передать кадр с сегмента на сегмент, например с сегмента 1 на сегмент 2, он заново пытается получить доступ к сегменту 2 как конечный узел по правилам алгоритма доступа, в данном примере - по правилам алгоритма CSMA/CD.

Одновременно с передачей кадра на все порты мост изучает адрес источника кадра и делает новую запись о его принадлежности в своей адресной таблице, которую также называют таблицей фильтрации или маршрутизации.

После того как мост прошел этап обучения, он может работать более рационально. При получении кадра, направленного, например, от компьютера 1 компьютеру 3, он просматривает адресную таблицу на предмет совпадения ее адресов с адресом назначения 3. Поскольку такая запись есть, то мост выполняет второй этап анализа таблицы - проверяет, находятся ли компьютеры с адресами источника (в нашем случае - это адрес 1) и адресом назначения (адрес 3) в одном сегменте. Так как в нашем примере они находятся в разных сегментах, то мост выполняет операцию продвижения (forwarding) кадра - передает кадр на другой порт, предварительно получив доступ к другому сегменту.

Если же адрес назначения неизвестен, то мост передает кадр на все свои порты, кроме порта - источника кадра, как и на начальной стадии процесса обучения.

44. Мосты с маршрутизацией от источника.
Мосты с маршрутизацией от источника применяются для соединения колец Token Ring и FDDI, хотя для этих же целей могут использоваться и прозрачные мосты. Маршрутизация от источника (Source Routing, SR) основана на том, что станция-отправитель помещает в посылаемый в другое кольцо кадр всю адресную информацию о промежуточных мостах и кольцах, которые должен пройти кадр перед тем, как попасть в кольцо, к которому подключена станция-получатель.

Рассмотрим принципы работы мостов Source Routing (в дальнейшем, SR-мосты) на примере сети, изображенной на рис. 4.21. Сеть состоит из трех колец, соединенных тремя мостами. Для задания маршрута кольца и мосты имеют идентификаторы. SR-мосты не строят адресную таблицу, а при продвижении кадров пользуются информацией, имеющейся в соответствующих полях кадра данных.

Риc. 4.21. Мосты типа Source Routing

При получении каждого пакета SR-мосту нужно только просмотреть поле маршрутной информации (поле Routing Information Field, RIF, в кадре Token Ring или FDDI) на предмет наличия в нем своего идентификатора. И если он там присутствует и сопровождается идентификатором кольца, которое подключено к данному мосту, то в этом случае мост копирует поступивший кадр в указанное кольцо. В противном случае кадр в другое кольцо не копируется. В любом случае исходная копия кадра возвращается по исходному кольцу станции-отправителю, и если он был передан в другое кольцо, то бит А (адрес распознан) и бит С (кадр скопирован) поля статуса кадра устанавливаются в 1, чтобы сообщить станции-отправителю, что кадр был получен станцией назначения (в данном случае передан мостом в другое кольцо).

Так как маршрутная информация в кадре нужна не всегда, а только для передачи кадра между станциями, подключенными к разным кольцам, то наличие в кадре поля RIF обозначается установкой в 1 бит индивидуального/группового адреса (I/G) (при этом данный бит используется не по назначению, так как адрес источника всегда индивидуальный).

Поле RIF имеет управляющее подполе, состоящее из трех частей.

• Тип кадра определяет тип поля RIF. Существуют различные типы полей RIF, использующиеся для нахождения маршрута и для отправки кадра по известному маршруту.
• Поле максимальной длины кадра используется мостом для связи колец, в которых установлено различное значение MTU. С помощью этого поля мост уведомляет станцию о максимально возможной длине кадра (то есть минимальном значении MTU на протяжении всего составного маршрута).
• Длина поля RIF необходима, так как заранее неизвестно количество описателей маршрута, задающих идентификаторы пересекаемых колец и мостов.

Для работы алгоритма маршрутизации от источника используются два дополнительных типа кадра - одномаршрутный широковещательный кадр-исследователь SRBF (single-route broadcast frame) и многомаршрутный широковещательный кадр-исследователь ARBF (all-route broadcast frame).

Все SR-мосты должны быть сконфигурированы администратором вручную, чтобы передавать кадры ARBF на все порты, кроме порта-источника кадра, а для кадров SRBF некоторые порты мостов нужно заблокировать, чтобы в сети не было петель.

Преимущества и недостатки мостов с маршрутизацией от источника

45. Коммутаторы: техническая реализация, функции, характеристики, влияющие на их работу.
Особенности технической реализации коммутаторов. Многие коммутаторы первого поколения были похожи на маршрутизаторы, то есть основывались на центральном процессоре общего назначения, связанном с интерфейсными портами по внутренней скоростной шине. Основным недостатком таких коммутаторов была их низкая скорость. Универсальный процессор никак не мог справиться с большим объемом специализированных операций по пересылке кадров между интерфейсными модулями. Кроме процессорных микросхем для успешной неблокирующей работы коммутатору нужно также иметь быстродействующий узел для передачи кадров между процессорными микросхемами портов. В настоящее время коммутаторы используют в качестве базовой одну из трех схем, на которой строится такой узел обмена:

• коммутационная матрица;
• разделяемая многовходовая память;
• общая шина.

Сегодня практически невозможно обнаружить в продаже ноутбук или материнскую плату без интегрированной сетевой карты, а то и двух. Разъём у всех из них один - RJ45 (точнее, 8P8C), но скорость контроллера может отличаться на порядок. В дешёвых моделях - это 100 мегабит в секунду (Fast Ethernet), в более дорогих - 1000 (Gigabit Ethernet).

Если же в вашем компьютере встроенный LAN-контроллер отсутствует, то он, скорее всего, уже «старичок» на базе процессора типа Intel Pentium 4 или AMD Athlon XP, а также их «предков». Таких «динозавров» можно «подружить» с проводной сетью только путём установки дискретной сетевой карты с PCI-разъёмом, так как шины PCI Express во времена их появления на свет ещё не существовало. Но и для PCI-шины (33 МГц) выпускаются «сетевухи», поддерживающие наиболее актуальный стандарт Gigabit Ethernet, хотя её пропускной способности может быть недостаточно для полного раскрытия скоростного потенциала гигабитного контроллера.

Но даже в случае наличия 100-мегабитной интегрированной сетевой карты дискретный адаптер придётся приобрести тем, кто собирается «проапгрейдиться» до 1000 мегабит. Лучшим вариантом станет покупка PCI Express-контроллера, который обеспечит максимальную скорость работы сети, если, конечно, соответствующий разъём в компьютере присутствует. Правда, многие отдадут предпочтение PCI-карточке, так как они значительно дешевле (стоимость начинается буквально от 200 рублей).

Какие же преимущества даст на практике переход с Fast Ethernet на Gigabit Ethernet? Насколько отличается реальная скорость передачи данных PCI-версий сетевых карт и PCI Express? Хватит ли скорости обычного жёсткого диска для полной загрузки гигабитного канала? Ответы на эти вопросы вы найдёте в данном материале.

Участники тестирования

Для тестирования были выбраны три наиболее дешёвые дискретные сетевые карты (PCI - Fast Ethernet, PCI - Gigabit Ethernet, PCI Express - Gigabit Ethernet), так как они пользуются наибольшим спросом.

100-мегабитная сетевая PCI-карта представлена моделью Acorp L-100S (цена начинается от 110 рублей), в которой используется наиболее популярный для дешёвых карточек чипсет Realtek RTL8139D.

1000-мегабитная сетевая PCI-карта представлена моделью Acorp L-1000S (цена начинается от 210 рублей), которая основана на чипе Realtek RTL8169SC. Это единственная карта с радиатором на чипсете - остальным участникам тестирования дополнительное охлаждение не требуется.

1000-мегабитная сетевая PCI Express-карта представлена моделью TP-LINK TG-3468 (цена начинается от 340 рублей). И она не стала исключением - в её основе лежит чипсет RTL8168B, который тоже произведён компанией Realtek.

Внешний вид сетевой карты

Чипсеты из этих семейств (RTL8139, RTL816X) можно увидеть не только на дискретных сетевых картах, но и интегрированными на многие материнские платы.

Характеристики всех трёх контроллеров приведены в следующей таблице:

Показать таблицу

Модель	Чипсет	Скорость передачи данных	Шина	Сетевой интерфейс	Разъёмы	Поддержка Jumbo Frame	Поддержка Wake-on-LAN	Дуплекс
Acorp L-100S	Realtek RTL8139D	10 / 100 Мбит/с	PCI 2.3 (32 бита)	10Base-T, 100Base-TX	RJ45 (8P8C)	Есть	Есть	Full
Acorp L-1000S	Realtek RTL8169SC	10 / 100 / 1000 Мбит/с	PCI 2.3 (32 бита)		RJ45 (8P8C)	Есть	Есть	Full
	Realtek RTL8168B	10 / 100 / 1000 Мбит/с	PCI Express 1.0a	10Base-T, 100Base-TX, 1000Base-T	RJ45 (8P8C)	Есть	Есть	Full

Пропускной способности PCI-шины (1066 Мбит/с) теоретически должно быть достаточно для «раскачки» гигабитных сетевых карт до полной скорости, но на практике её может всё-таки не хватить. Дело в том, что этот «канал» между собой делят все PCI-устройства; кроме того, по нему передаётся служебная информация по обслуживанию самой шины. Посмотрим, подтвердится ли это предположение при реальном измерении скорости.

Ещё один нюанс: подавляющее большинство современных жёстких дисков имеют среднюю скорость чтения не более 100 мегабайт в секунду, а часто и ещё меньше. Соответственно, они не смогут обеспечить полную загрузку гигабитного канала сетевой карты, скорость которого составляет 125 мегабайт в секунду (1000: 8 = 125). Обойти это ограничение можно двумя способами. Первый - это объёдинить пару таких жёстких дисков в RAID-массив (RAID 0, striping), при этом скорость может увеличиться практически в два раза. Второй - использовать SSD-накопители, скоростные параметры которых заметно превышают таковые у жёстких дисков.

Тестирование

В качестве сервера использовался компьютер со следующей конфигурацией:

• процессор: AMD Phenom II X4 955 3200 МГц (четырёхъядерный);
• материнская плата: ASRock A770DE AM2+ (чипсет AMD 770 + AMD SB700);
• оперативная память: Hynix DDR2 4 x 2048 Гб PC2 8500 1066 МГц (в двухканальном режиме);
• видеокарта: AMD Radeon HD 4890 1024 Мб DDR5 PCI Express 2.0;
• сетевая карта: Realtek RTL8111DL 1000 Мбит/с (интегрирована на материнскую плату);
• операционная система: Microsoft Windows 7 Home Premium SP1 (64-битная версия).

В качестве клиента, в который устанавливались тестируемые сетевые карты, использовался компьютер со следующей конфигурацией:

• процессор: AMD Athlon 7850 2800 МГц (двухъядерный);
• материнская плата: MSI K9A2GM V2 (MS-7302, чипсет AMD RS780 + AMD SB700);
• оперативная память: Hynix DDR2 2 x 2048 Гб PC2 8500 1066 МГц (в двухканальном режиме);
• видеокарта: AMD Radeon HD 3100 256 Мб (интегрирована в чипсет);
• жёсткий диск: Seagate 7200.10 160 Гб SATA2;
• операционная система: Microsoft Windows XP Home SP3 (32-битная версия).

Тестирование производилось в двух режимах: чтение и запись через сетевое подключение с жёстких дисков (это должно показать, что они могут являться «бутылочным горлышком»), а также с RAM-дисков в оперативной памяти компьютеров, имитирующих быстрые SSD-накопители. Сетевые карты соединялись напрямую при помощи трёхметрового патч-корда (восьмижильная витая пара, категория 5e).

Скорость передачи данных (жёсткий диск - жёсткий диск, Мбит/с)

Реальная скорость передачи данных через 100-мегабитную сетевую карту Acorp L-100S совсем немного не дотянула до теоретического максимума. А вот обе гигабитные карты хоть и обогнали первую примерно в шесть раз, но максимально возможную скорость показать не сумели. Прекрасно видно, что скорость «упёрлась» в производительность жёстких дисков Seagate 7200.10, которая при непосредственном тестировании на компьютере в среднем составляет 79 мегабайт в секунду (632 Мбит/с).

Принципиальной разницы в скорости между сетевыми картами для шины PCI (Acorp L-1000S) и PCI Express (TP-LINK ) в данном случае не наблюдается, незначительное преимущество последней вполне можно объяснить погрешностью измерений. Оба контроллера работали примерно на шестьдесят процентов от своих возможностей.

Скорость передачи данных (RAM-диск - RAM-диск, Мбит/с)

Acorp L-100S ожидаемо показала такую же низкую скорость и при копировании данных из высокоскоростных RAM-дисков. Оно и понятно - стандарт Fast Ethernet уже давно не соответствует современным реалиям. По сравнению с режимом тестирования «жёсткий диск - жёсткий диск» гигабитная PCI-карта Acorp L-1000S заметно прибавила в производительности - преимущество составило примерно 36 процентов. Ещё более впечатляющий отрыв продемонстрировала сетевая карта TP-LINK TG-3468 - прирост составил около 55 процентов.

Вот тут и проявилась более высокая пропускная способность шины PCI Express - обошла Acorp L-1000S на 14 процентов, что уже не спишешь на погрешность. Победитель немного не дотянул до теоретического максимума, но и скорость в 916 мегабит в секунду (114,5 Мб/с) всё равно выглядит впечатляюще - это означает, что ожидать окончания копирования придётся практически на порядок меньше (по сравнению с Fast Ethernet). К примеру, время копирования файла размером 25 Гб (типичный HD-рип с хорошим качеством) с компьютера на компьютер составит менее четырёх минут, а с адаптером предыдущего поколения - более получаса.

Тестирование показало, что сетевые карты стандарта Gigabit Ethernet имеют просто огромное преимущество (вплоть до десятикратного) над контроллерами Fast Ethernet. Если в ваших компьютерах установлены только жёсткие диски, не объединённые в striping-массив (RAID 0), то принципиальной разницы по скорости между PCI- и PCI Express-картами не будет. В противном случае, а также при использовании производительных SSD-накопителей предпочтение следует отдать картам с интерфейсом PCI Express, которые обеспечат максимально возможную скорость передачи данных.

Естественно, следует учитывать, что и остальные устройства в сетевом «тракте» (свитч, роутер...) должны поддерживать стандарт Gigabit Ethernet, а категория витой пары (патч-корда) должна быть не ниже 5e. Иначе реальная скорость так и останется на уровне 100 мегабит в секунду. К слову, обратная совместимость со стандартом Fast Ethernet сохраняется: к гигабитной сети можно подключить, например, ноутбук со 100-мегабитной сетевой картой, на скорости прочих компьютеров в сети это никак не скажется.