Чему равен диаметр сети fast ethernet при использовании концентраторов
В год своего двадцатипятилетнего юбилея технология Ethernet достигла гигабитных скоростей. СТАНДАРТЫ GIGABIT ETHERNET ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ ЗАДЕРЖКА РАСШИРЕНИЕ НЕСУЩЕЙ БУФЕРНЫЙ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬ МЕХАНИЗМЫ КОНТРОЛЯ ПОТОКОВ ОСНОВНЫЕ ПРИЛОЖЕНИЯ И ЭТО ЕЩЕ НЕ ПРЕДЕЛ Вопрос "Gigabit Ethernet - это Ethernet или нет?
В год своего двадцатипятилетнего юбилея технология Ethernet достигла гигабитных скоростей.
Вопрос "Gigabit Ethernet - это Ethernet или нет?" отнюдь не праздный, и, хотя Gigabit Ethernet Alliance отвечает на него утвердительно на том основании, что эта технология использует тот же формат кадров, тот же метод доступа к среде передачи CSMA/CD, те же механизмы контроля потоков и те же управляющие объекты, все же Gigabit Ethernet отличается от Fast Ethernet больше, чем Fast Ethernet от Ethernet. (К тому же, например, Hewlett-Packard полагает, что он имеет больше сходства со 100VG-AnyLAN, чем с Fast Ethernet.) В частности, если для Ethernet было характерно разнообразие поддерживаемых сред передачи, что давало повод говорить о том, что он может работать хоть по колючей проволоке, то в Gigabit Ethernet волоконно-оптические кабели становятся доминирующей средой передачи (это, конечно, далеко не единственное отличие, но с остальными мы подробнее познакомимся ниже). Кроме того, Gigabit Ethernet ставит несравнимо более сложные технические задачи и предъявляет гораздо более высокие требования к качеству проводки. Иными словами, он гораздо менее универсален, чем его предшественники.
СТАНДАРТЫ GIGABIT ETHERNET
Основные усилия рабочей группы IEEE 802.3z направлены на определение физических стандартов для Gigabit Ethernet. За основу она взяла стандарт ANSI X3T11 Fibre Channel, точнее, два его нижних подуровня: FC-0 (интерфейс и среда передачи) и FC-1 (кодирование и декодирование). Зависимая от физической среды спецификация Fibre Channel определяет в настоящее время скорость 1,062 гигабод в секунду. В Gigabit Ethernet она была увеличена до 1,25 гигабод в секунду. С учетом кодирования по схеме 8B/10B мы получаем скорость передачи данных в 1 Гбит/с.
Спецификация Gigabit Ethernet изначально предусматривала три среды передачи: одномодовый и многомодовый оптический кабель с длинноволновыми лазерами 1000BaseLX для длинных магистралей для зданий и комплексов зданий, многомодовый оптический кабель с коротковолновыми лазерами 1000BaseSX для недорогих коротких магистралей, симметричный экранированный короткий 150-омный медный кабель 1000BaseCX для межсоединения оборудования в аппаратных и серверных.
Однако в настоящее время четырехпарная 100-омная проводка Категории 5 является наиболее распространенной кабельной системой во всем мире. Учитывая это, бюро по стандартам IEEE удовлетворило в марте 1997 г. запрос на создание отдельного комитета по разработке стандарта физического уровня 1000BaseT для четырехпарных кабелей с неэкранированными витыми парами Категории 5 длиной 100 м (т. е. для сетей с диаметром 200 м, как и в 100BaseT). Эта группа получила наименование 803.2ab. Данный стандарт будет опираться на иную схему кодирования, нежели Fibre Channel, и, вероятнее всего, появится на год позже, чем остальные три стандарта.
Все четыре стандарта отличаются покрываемыми расстояниями и планируемыми применениями (см. Таблицу 1). Взаимосвязь между ними можно понять из Рисунка 1.
Рисунок 1.
Использование Fibre Channel в качестве технологии физического уровня позволило ускорить разработку стандарта Gigabit Ethernet. Однако 1000BaseT предусматривает иной физический уровень, и его принятие отложено до следующего года.
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ ЗАДЕРЖКА
Первоначальная дата принятия стандарта (март 1998 г.) была перенесена комитетом IEEE 802.3z на более поздний срок, когда была обнаружена проблема дифференциальной задержки (Differential Mode Delay, DMD). Она проявляется только при определенных комбинациях излучателей (лазеров) и многомодового оптического кабеля невысокого качества и не свойственна менее скоростным технологиям.
Эффект дифференциальной задержки состоит в том, что один излучаемый лазером импульс света возбуждает несколько мод в многомодовом волокне. Эти моды, или пути распространения света, могут иметь разную длину и разную задержку. В результате при распространении по волокну отдельный импульс может даже разделиться на несколько импульсов, а последовательные импульсы могут накладываться друг на друга, так что исходные данные будет невозможно остановить.
Такая рассинхронизация (jitter) встречается все же довольно часто, поэтому 802.3z Task Force и отложила принятие стандарта. Предложенное решение заключается в том, что световой сигнал источника формируется предварительно специальным образом, а именно свет от лазера распределяется равномерно по диаметру волокна, в результате чего он больше напоминает свет от светоизлучающего диода. Цель подобной процедуры состоит в более равномерном распределении энергии сигнала между всеми модами.
РАСШИРЕНИЕ НЕСУЩЕЙ
Один из ключевых вопросов для Gigabit Ethernet - это максимальный размер сети. При переходе от Ethernet к Fast Ethernet сохранение минимального размера кадра привело к уменьшению диаметра сети с 2 км для 10BaseT до 200 м для 100BaseT. Однако перенос без изменения всех отличительных составляющих Ethernet - минимального размера кадра, времени обнаружения коллизии (или кванта времени - time slot) и CSMA/CD - на Gigabit Ethernet обернулся бы сокращением диаметра сети до 20 м. Очевидно, что в этом случае станции в разделяемой сети оказались бы в буквальном смысле "на коротком поводке", поэтому рабочий комитет 802.3z предложил увеличить время обнаружения коллизии с тем, чтобы сохранить прежний диаметр сети в 200 м. Такое переопределение подуровня MAC необходимо для Gigabit Ethernet, иначе отстоящие друг от друга на расстоянии 200 м станции не смогут обнаружить конфликт, когда они обе одновременно передают кадр длиной 64 байт.
Предложенное решение было названо расширением несущей (carrier extension). Суть его в следующем. Если сетевой адаптер или порт Gigabit Ethernet передает кадр длиной менее 512 байт, то он посылает вслед за ним биты расширения несущей, т. е. время обнаружения конфликта увеличивается. Если за время передачи кадра и расширения несущей отправитель зафиксирует коллизию, то он реагирует традиционным образом: подает сигнал затора (jam signal) и применяет механизм отката (back-off algorithm).
Очевидно, однако, что если все станции (узлы) передают кадры минимальной длины (64 байт), то реальное повышение производительности составит всего 12,5% (125 Мбит/с вместо 100 Мбит/с). Мы выбрали худший вариант, но даже с учетом того, что средняя длина кадра составляет на практике 200-500 байт, пропускная способность возрастет всего лишь до 300-400 Мбит/с. Конечно, за-частую и такого повышения достаточно, но все же подобное решение очень уж неэффективно.
С целью повышения эффективности Gigabit Ethernet комитет предложил метод пакетной передачи кадров (к сожалению, термин "пакетная передача", как обычно переводится на русский язык английское понятие "bursting", может привести к путанице, так как он подразумевает передачу серии кадров подряд, а не протокольный блок данных третьего уровня (пакет)). В соответствии с этим методом короткие кадры накапливаются и передаются вместе. Передающая станция заполняет интервал между кадрами битами расширения несущей, поэтому другие станции будут воздерживаться от передачи, пока она не освободит линию.
Проведенное AMD моделирование показывает, что в полудуплексной топологии с коллизиями сеть Gigabit Ethernet позволяет достичь пропускной способности 720 Мбит/с при полной нагрузки сети (см. Рисунок 2). Тем не менее подобные ухищрения (расширение несущей и пакетная передача кадров) свидетельствуют о том, что метод доступа к среде CSMA/CD в его теперешнем виде себя практически изжил.
Рисунок 2.
Пакетная передача кадров позволяет более эффективно использовать пропускную способность Gigabit Ethernet даже в случае коротких кадров.
Естественно, такие нововведения необходимы только для полудуплексного режима, так как для полнодуплексной передачи CSMA/CD не нужен. Действительно, в полнодуплескном режиме данные передаются и принимаются по разным путям, так что ждать завершения приема для начала передачи не требуется. Таким образом, в полнодуплескной топологии без коллизий реальная пропускная способность может превзойти указанный 72-процентный барьер и приблизиться к теоретическому максимуму в 2 Гбит/с.
БУФЕРНЫЙ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬ
Одним из способов обойти ограничения, связанные с расширением несущей, является использование так называемых буферных распределителей. Этот новый класс устройств (иногда их еще называют полнодуплексными повторителями) представляет собой нечто среднее между повторителем и коммутатором.
Все порты гигабитного буферного распределителя работают в полнодуплексном режиме и задействуют механизмы контроля потоков, определенные стандартом IEEE 802.3х. Как обычный повторитель Ethernet, он передает поступивший кадр на все свои порты; как и коммутатор Ethernet, способен принимать кадры на нескольких портах одновременно, при этом поступившие кадры помещаются в буферы. При заполнении буферов распределитель задействует механизмы управления потоками для информирования передающего узла о необходимости приостановить передачу. Такой подход позволяет достичь близкой к номинальной пропускной способности в разделяемом сегменте Gigabit Ethernet.
МЕХАНИЗМЫ КОНТРОЛЯ ПОТОКОВ
ОСНОВНЫЕ ПРИЛОЖЕНИЯ
Очевидно, что первоначально Gigabit Ethernet будет использоваться для увеличения пропускной способности каналов между коммутаторами и соединений между коммутаторами и серверами (см. Рисунок 3), о чем свидетельствует и тот факт, что среди первых продуктов для Gigabit Ethernet оказались именно гигабитные модули для коммутаторов и сетевые платы для серверов.
Рисунок 3.
В первую очередь Gigabit Ethernet будет использоваться для межсоединения коммутаторов и подключения серверов.
Соединение коммутаторов Fast Ethernet по Gigabit Ethernet позволяет резко поднять пропускную способность магистрали вашей локальной сети и поддерживать в результате большее число как коммутируемых, так и разделяемых сегментов Fast Ethernet. Установка сетевой платы Gigabit Ethernet на сервер дает возможность расширить канал с сервером и таким образом увеличить производительность пользователей мощных рабочих станций.
Среди других потенциальных применений - модернизация локальной магистрали Fast Ethernet и территориальной магистрали FDDI. В последнем случае, например, все, что нужно сделать, - это установить новые интерфейсные модули в маршрутизаторы, коммутаторы или концентраторы (в зависимости от того, как организована сеть FDDI), а саму проводку менять не нужно. Наконец, высокопроизводительные рабочие станции можно будет подключать к концентраторам (если таковые появятся), буферным распределителям и коммутаторам.
И ЭТО ЕЩЕ НЕ ПРЕДЕЛ
Возможно, когда вы будете держать в руках этот номер журнала, комитет 802.3z уже официально примет стандарт на Gigabit Ethernet. Всего лишь три года назад Fast Ethernet еще только завоевывал себе место под солнцем, а теперь мы имеем сходную, но на порядок более быструю технологию. И это еще не предел. Словосочетание "терабитный Ethernet" сегодня все чаще можно встретить на страницах печати. Однако метод доступа CSMA/CD уже, по-видимому, изжил себя, и, насколько нам известно, ни один производитель не предлагает пока повторителей Gigabit Ethernet. Если терабитный Ethernet и появится, то он будет еще меньше походить на своего предка, чем Gigabit Ethernet.
Внедрение услуг передачи голоса, данных и видеоинформации по единой мультисервисной сети ( Triple Play ) привело к необходимости повышения пропускной способности линий связи . Поэтому была разработана технология Gigabit Ethernet, предусматривающая передачу данных со скоростью 1 Гбит/с. В данной технологии, так же как в Fast Ethernet , была сохранена преемственность с технологией Ethernet : практически не изменились форматы кадров, сохранился метод доступа CSMA /CD в полудуплексном режиме. На логическом уровне используется кодирование 8B/10B .
Поскольку скорость передачи увеличилась в 10 раз по сравнению с Fast Ethernet , то было необходимо либо уменьшить диаметр сети до 20 – 25 м, либо увеличить минимальную длину кадра. В технологии Gigabit Ethernet пошли по второму пути, увеличив минимальную длину кадра до 512 байт , вместо 64 байт в технологии Ethernet и Fast Ethernet . Диаметр сети остался равным 200 м, так же как в Fast Ethernet . Поскольку на практике часто передаются короткие кадры, для снижения непроизводительной загрузки сети разрешается передавать несколько коротких кадров подряд с общей длиной до 8192 байт .
Современные сети Gigabit Ethernet , как правило, строятся на основе коммутаторов и работают в полнодуплексном режиме. В этом случае говорят не о диаметре сети, а о длине сегмента, которая определяется физической средой передачи данных . Gigabit Ethernet предусматривает использование:
- одномодового оптоволоконного кабеля ( 802.3z );
- многомодового оптоволоконного кабеля ( 802.3z );
- симметричного кабеля UTP категории 5 ( 802.3ab );
- коаксиального кабеля .
При передаче данных по оптоволоконному кабелю в качестве излучателей применяются либо светодиоды, работающие на длине волны 830 нм, либо лазеры на длине волны 1300 нм. В соответствии с этим стандарт 802.3z определил две спецификации – 1000Base-SX и 1000Base- LX. Максимальная длина сегмента, реализованного на многомодовом кабеле 62,5/125 спецификации 1000Base-SX, составляет 220 м, а на кабеле 50/125 – не более 500 м. Максимальная длина сегмента, реализованного на одномодовом волокне спецификации 1000Base-LX, составляет 5000 м. Длина сегмента на коаксиальном кабеле не превышает 25 м.
Для использования уже имеющихся симметричных кабелей UTP категории 5 был разработан стандарт 802.3ab. Поскольку в технологии Gigabit Ethernet данные должны передаваться со скоростью 1000 Мбит/с, а витая пара 5-й категории имеет полосу пропускания 100 МГц, было решено передавать данные параллельно по 4 витым парам и задействовать UTP категории 5 или 5е с шириной полосы более 125 МГц. Таким образом, по каждой витой паре необходимо передавать данные со скоростью 250 Мбит/с, что в 2 раза превышает возможности UTP категории 5е. Для устранения этого противоречия используется код 4D-PAM5 с пятью уровнями потенциала (-2, -1, 0, +1, +2). По каждой паре проводов одновременно производится передача и прием данных со скоростью 125 Мбит/с в каждую сторону. При этом происходит постоянная коллизия , при которой формируются сигналы сложной формы пяти уровней. Разделение входного и выходного потоков производится за счет использования схем гибридной развязки H ( рис. 5.3). В качестве таких схем применяются сигнальные процессоры. Для выделения принимаемого сигнала приемник вычитает из суммарного (передаваемого и принимаемого) сигнала собственный передаваемый сигнал.
Таким образом, технология Gigabit Ethernet обеспечивает высокоскоростной обмен данными и применяется главным образом для передачи данных между подсетями, а также для обмена мультимедийной информацией. Стандарт IEEE 802 .3 рекомендует, что технология Gigabit Ethernet с передачей данных по волокну должна быть магистральной ( backbone ).
Временные интервалы, формат кадра и передача являются общими для всех версий 1000 Мбит/с. Физический уровень определяют две схемы кодирования сигнала ( рис. 5.4). Схема 8B/10B используется для оптического волокна и медных экранированных кабелей. Для симметричных кабелей UTP применяется модуляция амплитуды импульсов (код PAM5).
В волоконно-оптических линиях используют логическое кодирование 8B/10B и линейное кодирование ( NRZ ).
Сигналы NRZ передаются по волокну, задействуя либо коротковолновые ( short - wavelength ), либо длинноволновые ( long-wavelength ) источники света. В качестве коротковолновых источников используются светодиоды с длиной волны 850 нм для передачи по многомодовому оптическому волокну (1000BASE-SX). Этот менее дорогостоящий вариант применяется для передачи на короткие расстояния в 200-300 м. Длинноволновые лазерные источники (1310 нм) используют одномодовое или многомодовое оптическое волокно (спецификация 1000BASE-LX). Лазерные источники в совокупности с одномодовым волокном способны передавать информацию на расстояние до 5000 м.
В соединениях " точка-точка " ( point-to-point ) для передачи (Tx) и приема (Rx) задействованы раздельные волокна, поэтому реализуется полнодуплексная связь . Технология Gigabit Ethernet позволяет устанавливать только единственный ретранслятор между двумя станциями. Ниже приведены параметры технологий 1000BASE (таблица 5.3).
Сети технологии Gigabit Ethernet , как правило, строятся на основе коммутаторов , когда расстояние полнодуплексных соединений ограничено только средой, а не временем двойного оборота. При этом используются топология " звезда " или "расширенная звезда ".
Стандарт 1000BASE-T предусматривает применение практически такого же кабеля UTP , что и стандарты 100BASE-T и 10BASE -T. Кабель UTP технологии 1000BASE-T такой же, как кабель 10BASE -T и 100BASE-TX , за исключением того, что рекомендовано использовать кабель категории 5e. Предельная длина кабеля аппаратуры 1000BASE-T не превышает 100 м.
5.3. Технология 10-Gigabit Ethernet
Технология 10- Gigabit Ethernet (10GbE) описывается стандартом IEEE 802.3ae, который определяет полнодуплексную передачу данных со скоростью 10 Гбит/с по волоконно-оптическому кабелю. Максимальные расстояния передачи зависят от типа применяемого волокна. Используя одномодовое волокно как среду передачи , максимальное расстояние передачи – 40 километров. В настоящее время разрабатываются стандарты для технологий Ethernet со скоростью передачи 40 Гбит/с, 80 Гбит/с и 160- Гбит/с.
Стандарт 10GbE на физическом уровне позволяет увеличить расстояние связи до 40 км по одномодовому волокну и обеспечить совместимость с сетями синхронной цифровой иерархии ( SDH ) и фотонными сетями, использующими уплотнение по длине волны DWDM . Функционирование на 40-километровом расстоянии, скорость передачи до 10 Gbps и совместимость с системами SDH делает технологию 10GbE не только технологией локальных, но и технологией глобальных сетей. Таким образом, стандарт развивается не только для LAN , но также для MAN и WAN . Поскольку в технологии 10GbE задействована только полнодуплексная связь , в режиме CSMA /CD нет необходимости. Следовательно, в сетях исключается использование концентраторов hub .
Стандарт 802.3ae управляет семейством 10GbE, которое включает следующие новые технологии:
- 10GBASE-SR – для коротких расстояний по уже установленному многомодовому волокну, поддерживает связь на расстоянии от 26 м до 82 м;
- 10GBASE-LX4 – использует технологию уплотнения по длины волне ( WDM ), поддерживает связь на расстоянии от 240 м до 300 м по уже установленному многомодовому волокну и до 10 км по одномодовому волокну;
- 10GBASE-LR и 10GBASE-ER – обеспечивает связь от 10 км до 40 км по одномодовому волокну;
- 10GBASE-SW, 10GBASE-LW и 10GBASE-EW – технологии с общим названием 10GBASE-W ; предназначены, чтобы обеспечить работу оборудования глобальных сетей с модулями SONET / SDH .
Для 10- Gigabit Ethernet не предусмотрены повторители , поскольку полудуплексный режим не поддерживается.
Ниже приведены некоторые параметры спецификаций технологии 10GbE.
В заключение следует отметить, что в настоящее время технология Ethernet является стандартом для различных соединений: горизонтальных, вертикальных и связи между зданиями. Новые версии Ethernet стирают различие между локальными и глобальными сетями. Трудно назвать сеть локальной, когда в сегменте, использующим технологию 10GbE, передаются данные на расстояние в 40 км.
В сетях Ethernet передача информации производится по трем составляющим сетевой среды:
- по медным кабелям со скоростью примерно 1000 Мбит/с, и возможно больше;
- по беспроводной среде (радиоканалы) – примерно 100 Мбит/с и больше;
- по оптическим кабелям со скоростью примерно 10000 Мбит/с и в ближайшем будущем до 100 Гбит/с и больше.
Медная и беспроводная среда имеют определенные физические и практические ограничения на высокочастотные сигналы. В волоконнооптических системах ограничивающим фактором является электронная технология и производственные процессы волокна.
В ранних версиях технологии Ethernet , использующих концентраторы в полудуплексном режиме, с возможностью возникновения коллизий ( CSMA /CD), не рассматривался вопрос качества обслуживания ( QoS ). Однако на современном этапе при передаче определенных видов трафика, например IP-телефонии и видео, этот вопрос стал очень важным. Полнодуплексные быстродействующие технологии ( Gigabit Ethernet , 10GbE) обеспечивают достаточную поддержку разнообразных приложений. Это расширяет потенциальные приложения Ethernet -совместимых технологий.
Внедрение услуг передачи голоса, данных и видеоинформации по единой мультисервисной сети ( Triple Play ) привело к необходимости повышения пропускной способности линий связи . Поэтому была разработана технология Gigabit Ethernet, предусматривающая передачу данных со скоростью 1 Гбит/с. В данной технологии, так же как в Fast Ethernet , была сохранена преемственность с технологией Ethernet : практически не изменились форматы кадров, сохранился метод доступа CSMA /CD в полудуплексном режиме. На логическом уровне используется кодирование 8B/10B .
Поскольку скорость передачи увеличилась в 10 раз по сравнению с Fast Ethernet , то было необходимо либо уменьшить диаметр сети до 20 – 25 м, либо увеличить минимальную длину кадра. В технологии Gigabit Ethernet пошли по второму пути, увеличив минимальную длину кадра до 512 байт , вместо 64 байт в технологии Ethernet и Fast Ethernet . Диаметр сети остался равным 200 м, так же как в Fast Ethernet . Поскольку на практике часто передаются короткие кадры, для снижения непроизводительной загрузки сети разрешается передавать несколько коротких кадров подряд с общей длиной до 8192 байт .
Современные сети Gigabit Ethernet , как правило, строятся на основе коммутаторов и работают в полнодуплексном режиме. В этом случае говорят не о диаметре сети, а о длине сегмента, которая определяется физической средой передачи данных . Gigabit Ethernet предусматривает использование:
- одномодового оптоволоконного кабеля ( 802.3z );
- многомодового оптоволоконного кабеля ( 802.3z );
- симметричного кабеля UTP категории 5 ( 802.3ab );
- коаксиального кабеля .
При передаче данных по оптоволоконному кабелю в качестве излучателей применяются либо светодиоды, работающие на длине волны 830 нм, либо лазеры на длине волны 1300 нм. В соответствии с этим стандарт 802.3z определил две спецификации – 1000Base-SX и 1000Base- LX. Максимальная длина сегмента, реализованного на многомодовом кабеле 62,5/125 спецификации 1000Base-SX, составляет 220 м, а на кабеле 50/125 – не более 500 м. Максимальная длина сегмента, реализованного на одномодовом волокне спецификации 1000Base-LX, составляет 5000 м. Длина сегмента на коаксиальном кабеле не превышает 25 м.
Для использования уже имеющихся симметричных кабелей UTP категории 5 был разработан стандарт 802.3ab. Поскольку в технологии Gigabit Ethernet данные должны передаваться со скоростью 1000 Мбит/с, а витая пара 5-й категории имеет полосу пропускания 100 МГц, было решено передавать данные параллельно по 4 витым парам и задействовать UTP категории 5 или 5е с шириной полосы более 125 МГц. Таким образом, по каждой витой паре необходимо передавать данные со скоростью 250 Мбит/с, что в 2 раза превышает возможности UTP категории 5е. Для устранения этого противоречия используется код 4D-PAM5 с пятью уровнями потенциала (-2, -1, 0, +1, +2). По каждой паре проводов одновременно производится передача и прием данных со скоростью 125 Мбит/с в каждую сторону. При этом происходит постоянная коллизия , при которой формируются сигналы сложной формы пяти уровней. Разделение входного и выходного потоков производится за счет использования схем гибридной развязки H ( рис. 5.3). В качестве таких схем применяются сигнальные процессоры. Для выделения принимаемого сигнала приемник вычитает из суммарного (передаваемого и принимаемого) сигнала собственный передаваемый сигнал.
Таким образом, технология Gigabit Ethernet обеспечивает высокоскоростной обмен данными и применяется главным образом для передачи данных между подсетями, а также для обмена мультимедийной информацией. Стандарт IEEE 802 .3 рекомендует, что технология Gigabit Ethernet с передачей данных по волокну должна быть магистральной ( backbone ).
Временные интервалы, формат кадра и передача являются общими для всех версий 1000 Мбит/с. Физический уровень определяют две схемы кодирования сигнала ( рис. 5.4). Схема 8B/10B используется для оптического волокна и медных экранированных кабелей. Для симметричных кабелей UTP применяется модуляция амплитуды импульсов (код PAM5).
В волоконно-оптических линиях используют логическое кодирование 8B/10B и линейное кодирование ( NRZ ).
Сигналы NRZ передаются по волокну, задействуя либо коротковолновые ( short - wavelength ), либо длинноволновые ( long-wavelength ) источники света. В качестве коротковолновых источников используются светодиоды с длиной волны 850 нм для передачи по многомодовому оптическому волокну (1000BASE-SX). Этот менее дорогостоящий вариант применяется для передачи на короткие расстояния в 200-300 м. Длинноволновые лазерные источники (1310 нм) используют одномодовое или многомодовое оптическое волокно (спецификация 1000BASE-LX). Лазерные источники в совокупности с одномодовым волокном способны передавать информацию на расстояние до 5000 м.
В соединениях " точка-точка " ( point-to-point ) для передачи (Tx) и приема (Rx) задействованы раздельные волокна, поэтому реализуется полнодуплексная связь . Технология Gigabit Ethernet позволяет устанавливать только единственный ретранслятор между двумя станциями. Ниже приведены параметры технологий 1000BASE (таблица 5.3).
Сети технологии Gigabit Ethernet , как правило, строятся на основе коммутаторов , когда расстояние полнодуплексных соединений ограничено только средой, а не временем двойного оборота. При этом используются топология " звезда " или "расширенная звезда ".
Стандарт 1000BASE-T предусматривает применение практически такого же кабеля UTP , что и стандарты 100BASE-T и 10BASE -T. Кабель UTP технологии 1000BASE-T такой же, как кабель 10BASE -T и 100BASE-TX , за исключением того, что рекомендовано использовать кабель категории 5e. Предельная длина кабеля аппаратуры 1000BASE-T не превышает 100 м.
5.3. Технология 10-Gigabit Ethernet
Технология 10- Gigabit Ethernet (10GbE) описывается стандартом IEEE 802.3ae, который определяет полнодуплексную передачу данных со скоростью 10 Гбит/с по волоконно-оптическому кабелю. Максимальные расстояния передачи зависят от типа применяемого волокна. Используя одномодовое волокно как среду передачи , максимальное расстояние передачи – 40 километров. В настоящее время разрабатываются стандарты для технологий Ethernet со скоростью передачи 40 Гбит/с, 80 Гбит/с и 160- Гбит/с.
Стандарт 10GbE на физическом уровне позволяет увеличить расстояние связи до 40 км по одномодовому волокну и обеспечить совместимость с сетями синхронной цифровой иерархии ( SDH ) и фотонными сетями, использующими уплотнение по длине волны DWDM . Функционирование на 40-километровом расстоянии, скорость передачи до 10 Gbps и совместимость с системами SDH делает технологию 10GbE не только технологией локальных, но и технологией глобальных сетей. Таким образом, стандарт развивается не только для LAN , но также для MAN и WAN . Поскольку в технологии 10GbE задействована только полнодуплексная связь , в режиме CSMA /CD нет необходимости. Следовательно, в сетях исключается использование концентраторов hub .
Стандарт 802.3ae управляет семейством 10GbE, которое включает следующие новые технологии:
- 10GBASE-SR – для коротких расстояний по уже установленному многомодовому волокну, поддерживает связь на расстоянии от 26 м до 82 м;
- 10GBASE-LX4 – использует технологию уплотнения по длины волне ( WDM ), поддерживает связь на расстоянии от 240 м до 300 м по уже установленному многомодовому волокну и до 10 км по одномодовому волокну;
- 10GBASE-LR и 10GBASE-ER – обеспечивает связь от 10 км до 40 км по одномодовому волокну;
- 10GBASE-SW, 10GBASE-LW и 10GBASE-EW – технологии с общим названием 10GBASE-W ; предназначены, чтобы обеспечить работу оборудования глобальных сетей с модулями SONET / SDH .
Для 10- Gigabit Ethernet не предусмотрены повторители , поскольку полудуплексный режим не поддерживается.
Ниже приведены некоторые параметры спецификаций технологии 10GbE.
В заключение следует отметить, что в настоящее время технология Ethernet является стандартом для различных соединений: горизонтальных, вертикальных и связи между зданиями. Новые версии Ethernet стирают различие между локальными и глобальными сетями. Трудно назвать сеть локальной, когда в сегменте, использующим технологию 10GbE, передаются данные на расстояние в 40 км.
В сетях Ethernet передача информации производится по трем составляющим сетевой среды:
- по медным кабелям со скоростью примерно 1000 Мбит/с, и возможно больше;
- по беспроводной среде (радиоканалы) – примерно 100 Мбит/с и больше;
- по оптическим кабелям со скоростью примерно 10000 Мбит/с и в ближайшем будущем до 100 Гбит/с и больше.
Медная и беспроводная среда имеют определенные физические и практические ограничения на высокочастотные сигналы. В волоконнооптических системах ограничивающим фактором является электронная технология и производственные процессы волокна.
В ранних версиях технологии Ethernet , использующих концентраторы в полудуплексном режиме, с возможностью возникновения коллизий ( CSMA /CD), не рассматривался вопрос качества обслуживания ( QoS ). Однако на современном этапе при передаче определенных видов трафика, например IP-телефонии и видео, этот вопрос стал очень важным. Полнодуплексные быстродействующие технологии ( Gigabit Ethernet , 10GbE) обеспечивают достаточную поддержку разнообразных приложений. Это расширяет потенциальные приложения Ethernet -совместимых технологий.
Выбор структуры сети — занятие нетривиальное. Помочь в этом могут спецификации на кабельные системы:
Выбор определяется многими факторами, не последний из которых — имеющаяся сумма на создание (модернизацию) сети. Так, самый дешевый вариант — это 10Base-2.
10Base-5
Тип кабеля | толстый коаксиальный кабель RG-8/11 (желтый Ethernet) |
---|---|
Топология | шина |
Максимальное число узлов на сегменте | 100 |
Максимальное количество сегментов | 5 (4 репитера, 2 сегмента без узлов) |
Максимальная длина сегмента | 500 м |
Максимальная длина сети | 2500 м (300 узлов) |
Минимальное расстояние между точками включения | 2,5 м |
Максимальная длина трансиверного кабеля | 50 м |
10Base-2
Тип кабеля | тонкий коаксиальный кабель RG-58/U или RG-58A/U |
---|---|
Топология | шина |
Максимальное число узлов на сегменте | 30 |
Максимальное количество сегментов | 5 (4 репитера, 2 сегмента без узлов) |
Максимальная длина сегмента | 185 м |
Максимальная длина сети | 925 м |
Минимальное расстояние между точками включения | 0,5 м |
Способ подсоединения узла | BNC T-коннектор |
10Base-T
Тип кабеля | UTP3, UTP4, UTP5 |
---|---|
Топология | звезда |
Максимальное число узлов на сегменте | 1024 |
Максимальное количество сегментов | 5 (последовательно) |
Максимальная длина сегмента | 100 м |
Максимальная длина сети | 500 м |
Способ подсоединения узла | RJ-45 |
Количество используемых пар кабеля | 2 |
10Base-F
Тип кабеля | одномодовый и многомодовый оптический кабель |
---|---|
Топология | звезда |
Максимальное число узлов на сегменте | 1024 |
Максимальная длина сегмента | для одномодового — 5 км |
для многомодовго — 1 км | |
Способ подсоединения узла | ST-коннектор |
Количество используемых пар кабеля | 1 |
100Base-TX
Тип кабеля | UTP5, STP тип 1 |
---|---|
Топология | звезда |
Максимальное число узлов на сегменте | 1024 |
Максимальное количество сегментов | 3 (последовательно) |
Максимальная длина кабеля между концентраторами | 5 м |
Максимальная длина сегмента | 100 м |
Максимальная длина сети | 205 м |
Способ подсоединения узла | RJ-45 |
Количество используемых пар кабеля | 2 |
100Base-FX
Тип кабеля | одномодовый оптический кабель |
---|---|
Топология | звезда |
Максимальное число узлов на сегменте | 1024 |
Максимальная длина сегмента: коммутатор—коммутатор, full duplex коммутатор—коммутатор, half duplex коммутатор—узел, full duplex коммутатор—узел, half duplex | 2 км 412 м 2 км 412 м |
100Base-T4
Тип кабеля | UTP3, UTP4, UTP5 |
---|---|
Топология | звезда |
Максимальное число узлов на сегменте | 1024 |
Максимальное количество сегментов | 3 (последовательно) |
Максимальная длина кабеля между концентраторами | 5 м |
Максимальная длина сегмента | 100 м |
Максимальная длина сети | 205 м |
Способ подсоединения узла | RJ-45 |
Количество используемых пар кабеля | 4 (3 — обмен данными, 1 — определение коллизий) |
1000Base-X
Комитет IEEE 802.3z Gigabit Task Force разрабатывает 4 стандарта на передачу информации со скоростью 1000 Мбит/с.
1000Base-LX
Использует трансиверы на длинноволновом лазере | |
Тип кабеля | одномодовый и многомодовый оптический кабель |
---|---|
Топология | звезда |
Максимальное число узлов на сегменте | 2 |
Максимальная длина сегмента | для одномодового — 3 км |
для многомодовго — 550 м |
1000Base-SX
Использует трансиверы на коротковолновом лазере и многомодовый оптический кабель. | |
Тип кабеля | многомодовый оптический кабель |
---|---|
Топология | звезда |
Максимальное число узлов на сегменте | 2 |
Максимальная длина сегмента | |
для многомодового диаметром 62,5 мкм | 300 м |
для многомодового диаметром 50,0 мкм | 550 м |
1000Base-CX
Использует экранированную витую пару | |
Тип кабеля | STP |
---|---|
Топология | звезда |
Максимальное число узлов на сегменте | 2 |
Максимальная длина сегмента | 25 м |
1000Base-T
Использует неэкранированную витую пару | |
Тип кабеля | UTP5 |
---|---|
Топология | звезда |
Максимальное число узлов на сегменте | 2 |
Максимальная длина сегмента | 100 м |
100VG-AnyLAN
Тип кабеля | UTP3, UTP4, UTP5 |
---|---|
Топология | звезда |
Максимальное число узлов на сегменте | 1024 |
Максимальное количество сегментов | 4 (последовательно) |
Максимальная длина кабеля между концентраторами | 5 м |
Максимальная длина сегмента (только для оборудования HP) | 225 м |
Максимальная длина сети | 1100 м |
Способ подсоединения узла | RJ-45 |
Количество используемых пар кабеля | 4 |
Тип кабеля | оптоволокно |
---|---|
Топология | кольцо |
Максимальное число узлов на сегменте | 500 |
Максимальное количество сегментов | 4 |
Максимальная длина кабеля между узлами | 2 км |
Максимальная длина сети | 100 км |
Способ подсоединения узла | MIC-коннектор |
Количество используемых пар кабеля | DAS — 2 |
SAS — 1 |
Практически то же, что и FDDI, но на витой паре.
Token-Ring
Тип кабеля | UTP, STP |
---|---|
Топология | звезда |
Максимальное число узлов/MSAU * на сегменте | UTP — 72/9 |
STP — 260/33 | |
Максимальная длина сегмента (без репитера) | |
UTP | 150 м (для скорости 4 Mbps), 60 м (для скорости 16 Mbps) |
STP | 300 м (для скорости 4 Mbps), 100 м (для скорости 16 Mbps) |
Максимальная длина сегмента между репитерами | |
UTP | 365 м |
STP | 725 м |
Способ подсоединения узла | RJ-45 |
Количество используемых пар кабеля | 2 |
Использованы материалы из Novell Ethernet Installation Supplement и с сервера Технического Управления фирмы АйТи
Аннотация: Приведено краткое описание технологий Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, 10 Gigabit Ethernet; даны основные технические характеристики и особенности функционирования указанных сетевых технологий.
5.1. Технология Fast Ethernet
Создание технологии Fast Ethernet было обусловлено необходимостью увеличения скорости передачи данных до 100 Мбит/с. Технология Fast Ethernet выиграла в конкурентной борьбе с другими новыми высокоскоростными технологиями, поскольку обеспечила преемственность и согласованность с широко распространенными сетями Ethernet . То есть в существующей сети Ethernet можно постепенно отдельные сегменты переводить на технологию Fast Ethernet . При этом вся сеть остается работоспособной, в старых сегментах сети Ethernet скорость передачи данных будет 10 Мбит/с, в новых ( Fast Ethernet ) – 100 Мбит/с, между старыми и новыми сегментами – 10 Мбит/с.
Преемственность и согласованность с сетями Ethernet обусловили ряд принципов построения новых сетей Fast Ethernet ( стандарт 802.3u ). Так, в технологии Fast Ethernet сохранился принцип использования общей разделяемой среды . Поскольку скорость передачи по сравнению с Ethernet увеличилась на порядок, то на порядок уменьшилось и время двойного оборота PDV . Поэтому, чтобы не потерять кадры при возникновении коллизий , диаметр сети уменьшился также на порядок – до 200 м. Однако при использовании коммутаторов в полнодуплексном режиме возникновение коллизий исключено, поэтому существуют ограничения только на длину физических сегментов , которые соединяют два соседних устройства: сетевой адаптер с коммутатором или два соседних коммутатора .
В сетях передачи данных передатчик и приемник могут иметь несколько отличающиеся тактовые частоты . Это обусловлено различными причинами. Например, в технологии PDH узлы сети имеют разные тактовые генераторы . В сетях SDH тактовый генератор – единый, однако каналы передачи информации могут иметь различную задержку. Поэтому передаваемые по линии связи данные должны отвечать принципу самосинхронизации, т. е. тактовый генератор приемника должен подстраивать свою частоту под частоту передатчика, используя принимаемые биты данных. Для этого кодированный сигнал должен иметь достаточно частые изменения состояния: 0 и 1.
Спектр сигналов при использовании манчестерского кодирования значительно шире спектра потенциальных избыточных кодов. Поэтому, несмотря на то что применяемый в Ethernet манчестерский код обладает очень хорошими свойствами самосинхронизации, разработчики технологии Fast Ethernet и других технологий отказались от него. На уровне логического кодирования в Fast Ethernet используются избыточные коды 4B/5B или 8B/6T, а на физическом уровне – коды NRZI или MLT-3.
На рис. 5.1 приведены временные диаграммы информационных сигналов с использованием различных кодов.
Потенциальный код без возврата к нулю ( NRZ – Non-Return to Zero) является наиболее простым, нулю соответствует низкий уровень сигнала, единице – высокий ( рис. 5.1а). Однако при длинных последовательностях нулей или единиц его свойства самосинхронизации очень плохие, поскольку нет переходов сигнала из одного состояния в другое. Поэтому данный код в сетях телекоммуникаций применяется редко.
Модифицированный потенциальный код ( NRZI – Non-Return to Zero Inverted ) изменяет свое состояние на противоположное при передаче нуля и не меняет – при передаче единицы ( рис. 5.1b). Его свойства самосинхронизации несколько лучше, чем кода NRZ , поэтому он применяется в технологии Fast Ethernet спецификации 100 Base-FX.
Существенно лучшими свойствами самосинхронизации характеризуются биполярные коды: AMI – Alternate Mark Inversion ( рис. 5.1c) и MLT -3 – Multi Level Transmission ( рис. 5.1d). Нулевые биты кода AMI представлены нулевым уровнем сигнала, а единичные биты – чередующимися значениями +V, -V. При передаче нулевого бита кода MLT -3 значение сигнала не изменяется, оставаясь таким, каким оно было к этому моменту. При передаче единичных бит данных значение сигнала изменяется в следующей последовательности: +V, 0, -V, 0, +V и т. д. Сигналы кода MLT -3 характеризуются более узкой полосой частот по сравнению с кодом NRZI , модификацией которого он является. Код MLT -3 используется в технологии Fast Ethernet спецификации 100 Base-ТX.
Манчестерский код ( рис. 5.1е) обладает наилучшими свойствами самосинхронизации. Однако у него более широкая полоса частот по сравнению с потенциальным кодом NRZI и особенно по сравнению с биполярными кодами AMI и MLT -3.
Недостатком кодов AMI и MLT -3 является плохая самосинхронизация при передаче длинной последовательности нулей. Для устранения этого недостатка используется либо избыточный код 4В/5В, либо специальное устройство – скремблер . В случае применения избыточного кода 4В/5В (таблица 5.1) из 32 кодовых комбинаций для кодирования символа используются только 16 комбинаций, содержащих чередующиеся значения нулей и единиц. В последовательности передаваемых бит число нулей не может быть больше трех. Остальные кодовые комбинации считаются запрещенными.
Спектр потенциального избыточного кода 4B/5B уже спектра манчестерского кода , поэтому избыточный код применяется в новых высокоскоростных технологиях, например, в Fast Ethernet .
Другим способом исключения в передаваемых данных длинных последовательностей нулей является скрэмблирование. Результирующий код вычисляется на основании исходного кода по определенному алгоритму . Например, в качестве такого алгоритма может быть использовано следующее соотношение:
,
где – символ сложения по модулю 2,
Bi – значение двоичного кода на выходе скремблера на i-ом такте,
Ai – значение двоичного кода на входе скремблера на i-ом такте,
Bi-3 – значение двоичного кода на выходе скремблера на 3 такта ранее текущего i-го такта,
Bi-5 – значение двоичного кода на выходе скремблера на 5 тактов ранее текущего i-го такта.
Временные параметры Fast Ethernet , указанные в битовых интервалах, остались неизменными по сравнению с технологией Ethernet , но сам битовый интервал уменьшился на порядок и стал равен 0,01 мкс. Технология Fast Ethernet ориентирована на использование в качестве физической среды:
- витой пары 5-й категории (спецификация 100Base-TX );
- витой пары 3-й категории ( 100Base-T4 );
- многомодового волоконно-оптического кабеля ( 100Base-FX ).
Поскольку технология Fast Ethernet должна, во-первых, обеспечивать согласованность с сетями Ethernet , а во-вторых, работать с разной физической средой, физический уровень семиуровневой модели усложнен по сравнению с Ethernet и включает три подуровня:
- подуровень согласования (reconciliation sublayer );
- подуровень независимого от среды интерфейса (Media Independent Interface, MII);
- устройство физического уровня ( Physical Layer Device, PHY ).
Подуровень согласования необходим, чтобы МАС-уровень, который был связан в Ethernet с физическим уровнем интерфейсом AUI , мог работать с новым интерфейсом MII. Кроме того, устройство физического уровня также разделено на три подуровня:
- подуровень логического кодирования данных, на котором используются избыточные коды 4B/5B или 8B/6T;
- подуровень физического присоединения в зависимости от физической среды формирует сигналы в соответствие с кодами NRZI или MLT -3;
- подуровень автопереговоров, позволяющий определить режим работы (полудуплексный или полнодуплексный), скорость передачи данных (10 Мбит/с или 100 Мбит/c) и тип среды передачи в зависимости от спецификации.
В спецификации 100Base-ТX для соединения сетевого адаптера и коммутатора (или коммутаторов между собой) применяются две витых пары UTP 5-й категории или STP Type 1. Максимальная длина сегмента – 100 м. Логическое кодирование – 4В/5В, физическое кодирование – MLT -3. В данной спецификации используется функция автопереговоров для возможности соединения с сетью Ethernet или с устройствами спецификации 100Base-Т4.
Спецификация 100Base-Т4 была создана для того, чтобы задействовать в новой технологии Fast Ethernet уже существующие во многих зданиях витые пары UTP 3-й категории. Полоса пропускания витой пары UTP 3-й категории составляет 16 МГц. Для того чтобы пропустить трафик со скоростью 100 Мбит/с, в данной спецификации используется три витых пары ( рис. 5.2). Четвертая витая пара работает при прослушивании несущей для определения занятости среды.
Таким образом, по каждой витой паре необходимо передавать данные со скоростью 33,3 Мбит/с, что также превышает возможности UTP 3-й категории. Поэтому в этой спецификации используется метод кодирования 8В/6Т, обладающий более узким спектром сигналов по сравнению с 4В/5В. Каждые 8 бит информации кодируются шестью троичными цифрами (триадами). Указанные меры позволили передавать данные со скоростью 100 Мбит/с по трем витым парам UTP 3-й категории.
Витые пары являются самой распространенной средой передачи данных в локальных сетях. Поэтому для них определено 5 режимов обмена данными, которые могут быть реализованы устройствами совместимых технологий Ethernet и Fast Ethernet :
- 10Base -T – 2 пары UTP 3-й категории;
- 10Base -T full duplex – 2 пары UTP 3-й категории;
- 100Base-TX – 2 пары UTP 5-й категории;
- 100Base-T4 – 4 пары UTP 3-й категории;
- 100Base-TX full duplex – 2 пары UTP 5-й категории.
Fast Ethernet спецификация 100Base-FX предусматривает работу по двум волокнам оптического многомодового кабеля 62,5/125 мкм в полудуплексном или полнодуплексном режиме. Максимальная длина сегмента в полудуплексном режиме составляет 412 м, а в полнодуплексном – 2000 м. Метод логического кодирования – 4В/5В, физического кодирования – NRZI .
В Ethernet -совместимых технологиях скорость передачи возрастала с 10 Mбит/с до 100 Mбит/с в Fast Ethernet , затем до 1000 Mбит/с в Gigabit Ethernet и, наконец, до 10000 Mбит/с в 10 Gigabit Ethernet . При этом требование преемственности и совместимости было одним из основных, что позволило этим технологиям победить в конкурентной борьбе. Требование совместимости было удовлетворено за счет реализации процесса автопереговоров ( Auto-Negotiation ) о скорости обмена данными. Этот процесс определяет, как два узла связи автоматически договариваются о режиме и скорости обмена данными.
В процессе обмена информацией о допустимой скорости и режиме работы оба коммутатора согласовывают и устанавливают связь с максимальной скоростью, общей для обоих коммутаторов .
Таким образом, до начала обмена данными два устройства должны в процессе автопереговоров установить, в каком режиме они будут работать. Устройство, которое инициирует начало обмена данными, посылает адресату сведения о своем наиболее приоритетном режиме. Низшим приоритетом обладает спецификация 10Base -T. Если адресат поддерживает предложенную технологию, то он подтверждает данный режим, и автопереговоры на этом завершаются. Если адресат не поддерживает предложенную технологию, то он указывает свой режим, в котором и будет производиться обмен данными .
Узлы спецификации 10Base -T не воспринимают запросы узлов с высокоприоритетными спецификациями 100Base-TX и другими. Поэтому, если узел технологии Fast Ethernet не получает ответ на свой запрос , то он устанавливает для себя низкоприоритетный режим 10Base -T.
Автопереговоры были первоначально определены для UTP - реализаций Ethernet , но были расширены для работы с волоконнооптическими линиями.
Для обеспечения совместимости и преемственности формат кадра Fast Ethernet спецификаций 100Base-FX , 100Base-TX в основном совпадает с форматом Ethernet (табл. 5.2).
Основное отличие заключается в том, что в технологии Ethernet признаком свободного состояния среды служило отсутствие несущей, а в технологии Fast Ethernet признаком свободного состояния служит передача по физической среде специального символа Idle . Начало кадра протокола Fast Ethernet отделяется от символов Idle парой символов J и K (11000 и 10001) кода 4В/5В, а конец – символом Т.
Таким образом, технология Fast Ethernet обладает достаточно высокой скоростью 100 Мбит/с и является совместимой с существующей широко распространенной технологией Ethernet . Ограничения диаметра сети до 200 м снимаются при использовании коммутаторов . Технология характеризуется разнообразием используемой физической среды ( оптоволокно , UTP категории 5, UTP категории 3). Перечисленные свойства предопределили широкое распространение технологии Fast Ethernet , которая практически вытеснила технологию Ethernet .
Читайте также: