Основная топология fast ethernet
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 .
Fast Ethernet , также известный как 100Base-T - стандарт быстрой локальной сети со скоростью передачи данных - 100 Мбит / с, являющийся модификацией и совместимый с ним, более ранний стандарт Ethernet со скоростью 10 Мбит / с.
Это технология, очень похожая на 10Base-T . Сохранен метод управления доступом к общей среде передачи - CSMA / CD , что привело к довольно значительному ограничению допустимого диапазона сети с десятикратным увеличением скорости передачи. Однако формат кадров, их длина и способ устранения ошибок не изменились. Однако методы кодирования сигналов и типы носителей, с которыми работает стандарт, изменились. Когда дело доходит до кодирования, есть два этапа. На первом этапе сигнал кодируется с использованием метода 4B5B , то есть четырехбитовые строки из подуровня MAC кодируются на пяти битах. На втором этапе используется строковое кодирование в зависимости от используемого носителя, например NRZI (без возврата к нулю, инвертированный ) для 100Base-FX или MLT-3 ( многоуровневый-трехуровневый ) для 100Base-TX . Однако предполагалось, что эти изменения не могут исключить возможность сотрудничества обоих типов Ethernet. Устройства Fastethernet должны иметь возможность взаимодействовать с другими устройствами Ethernet, а дополнительные функции, по сравнению с 10Base-T , реализованные концентратором fastethernet, включают процесс автосогласования , позволяющий автоматически распознавать режим работы устройств, подключенных к концентратору. Стандарт 100Base-T предусматривает возможность взаимодействия с тремя типами среды передачи.
Отдельные версии Fast Ethernet:
- Система 100Base-TX с использованием двух пар витых пар категории 5 (самая популярная),
- Система 100Base-T4 с использованием четырех пар витых пар категории 3, 4 или 5,
- система 100BASE-T2 была предназначена для использования двух пар витых пар категории 3,
- Система 100Base-FX на основе оптических волокон .
С развитием систем связи в реальном времени и появлением множества более совершенных мультимедийных приложений выросла потребность в увеличении пропускной способности в локальных сетях . Стандарты 10-мегабитного Ethernet ( IEEE 802.3 ) или кольцевого токена ( IEEE 802.5 ), используемые до сих пор, становились недостаточными. Важным критерием, которым руководствовался дизайн локальных сетевых систем того времени, была возможность работы большого количества конечных станций, соединенных витой парой (сети 10Base-T и частично Token Ring). В последующие годы хорошо освоенная технология Ethernet означала, что стандарт был изменен таким образом, что стало возможным использовать его для передачи информации на более высоких скоростях. Таким образом, были разработаны два стандарта, которые частично или полностью используют идеи Ethernet:
- Стандарт IEEE 802.12 (коммерческая версия - 100VG-AnyLAN), который может быть реализован в существующей инфраструктуре (кабельной разводке) локальной сети ,
- Стандарт Fast Ethernet на основе решения IEEE 802.3 .
Fast Ethernet был разработан Grand Junction Networks, 3Com , SynOptics, Intel и рядом других поставщиков компьютерного оборудования и программного обеспечения. Стандарт разрабатывается Комитетом 3 IEEE 802 , который в середине июня 1995 г. одобрил расширение стандарта 802.3 под названием IEEE 802.3u. Он также был принят ISO как ISO 8802.3u.
- преамбула - состоит из семи байтов. Каждый из них имеет следующий битовый шаблон: 10101010. Преамбула информирует принимающую станцию о том, что кадр передается по среде, позволяет приемнику синхронизироваться,
- Поле Start of Frame Delimiter (SFD ) - однобайтовое поле, информирующее о начале кадра. Битовая комбинация - 101010 11 ,
- адрес назначения (называемый. адрес назначения ) - поле адреса назначения состоит из 48 бит. Указывает, какая станция должна принять кадр,
- исходный адрес (называемый. Source Address ) - идентифицирует отправляющую станцию,
- Длина / Тип поля (англ. Тип / Значение длины ) - определяет длину поля данных или тип кадра,
- Поле данных подуровня LLC и поле расширения - последовательность из n байтов любого значения.
Минимальная длина кадра (без преамбулы и начального поля) должна составлять 64 байта, поэтому, если поле данных меньше 46 байтов, оно расширяется путем добавления соответствующего количества октетов в поле расширения,
- Последовательность проверки кадра (FCS ) - эта последовательность содержит 4-байтовое значение CRC ( Cyclic Redundancy Check ). Безопасность не включает преамбулу и последовательность запуска.
Когда кадры передаются между коммутаторами в сети, в которой были созданы виртуальные сети , между полем «Адрес источника» и полем «Длина / Тип» добавляется четырехбайтовый тег VLAN.
В случае топологии сети Ethernet необходимо различать концепции физической топологии (т. Е. Пространственного расположения кабелей) и логической топологии . Fast Ethernet использует физическую топологию звездообразного типа со всеми проводами, идущими, как показано на рисунке 1, к центральному концентратору , как и в сетях 10Base-T . Логической осью каждой сети Ethernet является шина, к которой подключены все станции. В случае классической сети Ethernet логическая шина соответствует физической шине. Несколько сетевых сегментов (формально сегмент определяется как соединение точка-точка, соединяющее два и только два интерфейса MDI ( Media Dependent Interface ), что означает, что при создании сети из нескольких станций, мы должны использовать концентратор) вместе используя так называемые регенераторы для создания более крупной и гибкой сети. Важно, чтобы каждый сегмент имел два конца, поскольку сегменты не могут образовывать петлю. Пример конфигурации сети Ethernet показан на рисунке 2. Такая конфигурация может быть реализована в классическом Ethernet (то есть с физически существующей шиной). В 10Base-T и 100Base-T логическая шина и регенератор имеют физическую форму так называемого регенерирующий хаб (англ. повторяющийся хаб ), меняющий топологию ШИНЫ на звездную .
Основным недостатком технологии Fast Ethernet (аналогично стандартному Ethernet ) является то, что топология сети не может быть слишком обширной. Ограничение распространяется на максимальное расстояние между двумя крайними станциями в сети, которое в случае использования неэкранированной витой пары не может превышать 200 метров. Это расстояние ограничено минимальной длиной кадра, скоростью распространения сигналов в среде и задержками, вызванными сетевыми устройствами, в частности концентраторами .
Можно выделить два основных типа концентраторов :
-
регенерирующие (англ. повторяющиеся узлы ) коммутационные (англ. коммутационные хабы ).
Первый тип концентраторов используется для соединения отдельных сегментов сети, а второй тип - для соединения отдельных локальных сетей .
Fast Ethernet использует два класса регенеративных концентраторов, называемых регенераторами, - класс I и класс II. Регенератор класса I может использоваться для соединения сегментов, построенных на разных носителях (например, для соединения TX с T4 ). Он должен сам обрабатывать сигналы, полученные из одного сегмента, в цифровую форму, принятую во втором сегменте. Процесс перевода выполняется всегда, независимо от того, нужен он или нет. Это приводит к большим задержкам. Следовательно, только один может использоваться в одном домене коллизии, если используется максимальная длина кабеля. Регенератор класса II может работать только с одним и тем же типом среды. Он не преобразует полученные сигналы в определенную цифровую форму, а только дублирует полученные сигналы, усиливая их и отправляя в другие порты. Благодаря этому снижаются задержки. Это означает, что два регенератора класса II могут использоваться в одной области конфликтов при максимальной длине кабеля.
Помимо различных рабочих скоростей, существенные различия между 10Base-T и 100Base-T также включают изменение метода кодирования, используемого для лучшего использования полосы пропускания канала . Для 10Base-T , то код Манчестер . Для скорости передачи информации 10 Мбит / с у нас будет скорость модуляции 20 Мбит / с . Это позволяет использовать только 50% общей пропускной способности. Стандарт 100Base-T использует кодирование 4B / 5B , что позволяет использовать 80% пропускной способности канала.
В стандарте Fast Ethernet сетевые интерфейсы могут работать во многих режимах в зависимости от типа среды, используемой в сети. Целью процедур автосогласования является обеспечение взаимодействия различных устройств в режиме с наивысшим приоритетом, приемлемым для всех устройств. Назначение приоритетов средствам массовой информации и, следовательно, режимам работы, от самого высокого до самого низкого, представлено в таблице ниже:
А ТАКЖЕ | 100Base-TX полный дуплекс |
B | 100Base-T4 |
С. | 100Base-TX |
D | 10Base-T полный дуплекс |
Э. | 10Base-T |
Процесс автосогласования генерирует и использует сигналы, называемые FLP ( Fast Link Pulse ). Эти сигналы формируют пакет ( так называемые. Серийная съемка ) , состоящие из 33 импульсов, из которых 16 четных несущей информации, и 17 нечетное число используются для синхронизации. Интервал времени между отдельными импульсами составляет 62,5 ± 7 мкс, а между целыми словами - 16 ± 8 мс, как показано на рисунке ниже:
Отсутствие информационного импульса между последовательными синхроимпульсами (в пакете) означает логический ноль, а его появление - логическую единицу. Сигналы FLP представляют собой модифицированную версию сигналов NLP ( Normal Link Pulse ), используемых в 10Base-T . Таким образом, устройства 10Base-T без труда устанавливают себя с устройствами Fast Ethernet. Система автосогласования также позволяет вручную принудительно установить требуемый режим работы на выбранном порте концентратора .
На рисунке ниже показана структура кадров протокола (которые представляют собой вышеупомянутые четные последовательности из 16 импульсов), используемых в процессе автосогласования.
D0 | D1 | D2 | D3 | D4 | D5 | D6 | D7 | D8 | D9 | D10 | D11 | D12 | D13 | D14 | D15 |
S0 | S1 | S2 | S3 | S4 | A0 | A1 | A2 | A3 | A4 | A5 | A6 | A7 | РФ | Подтвердить | Например |
Поле выбора | Флажок технологии |
Поле выбора определяет тип стандарта и в настоящее время может принимать только значения 10000 для IEEE 802.3 и 01000 для IEEE 802.9 (стандарт Iso Ethernet ). Другие комбинации пока зарезервированы для использования в будущем. Поле Technology Ability содержит информацию о возможности взаимодействия с определенными режимами. Установка бита Ai для i = 0,1, . 7 означает:
- A0 - 10Base-T
- A1 - 10Base-T полный дуплекс
- A2 - 100Base-TX
- A3 - 100Base-TX полный дуплекс
- A4 - 100Base-T4
Биты A5, A6, A7 зарезервированы для будущих технологий. Бит RF ( Remote Fault ) сообщает об ошибке на удаленной станции, а бит Ack ( подтверждение ) устанавливается станцией после обнаружения трех полных слов протокола (от ее «вызывающего»). Бит NP ( Следующая страница ) означает, что станция хочет перейти к следующему этапу переговоров. В переговорный процесс входит:
- обмен обоими партнерами словами FLP без установленного бита Ack,
- установка бита Ack станцией, которая первой обнаружила три полных слова FLP от партнера,
- передать от 6 до 8 слов и считать процесс автосогласования успешным, когда станция обнаруживает еще три полных слова FLP с установленным битом Ack; в противном случае станция переходит к следующему этапу переговоров.
Если устройства не согласны с общим режимом, соединение не будет установлено.
Хотя протокол автосогласования допускает работу в разных режимах, все порты регенерирующего концентратора должны работать с одинаковой скоростью. Таким образом, невозможно создать сеть Ethernet, работающую одновременно со скоростью 10 и 100 Мбит / с. Это означает, что один концентратор может поддерживать только устройства, работающие со скоростью 100 или 10 Мбит / с. Это ограничение не распространяется на коммутатор.
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 .
Аннотация: В этой лекции говорится о стандартных сегментах сети Fast Ethernet, их топологиях, аппаратуре, кабелях, разъемах, достоинствах и недостатках, а также о методе автоматического согласования скоростей передачи.
Аппаратура 100BASE-TX
Стандарт Fast Ethernet IEEE 802.3u появился значительно позже стандарта Ethernet – в 1995 году. Его разработка в первую очередь была связана с требованием повышения скорости передачи информации. Однако переход с Ethernet на Fast Ethernet позволяет не только повысить скорость передачи , но и существенно отодвинуть границу перегрузки сети (что обычно гораздо важнее). Поэтому популярность Fast Ethernet постоянно растет.
Вместе с тем надо учитывать, что стандартные сегменты Fast Ethernet имеют свои особенности и недостатки, которые далеко не очевидны, но которые обязательно надо учитывать. Создатели Fast Ethernet сделали все возможное для облегчения перехода на новую скорость, однако, в каком-то смысле Fast Ethernet – это уже другая, новая сеть .
Если сравнивать набор стандартных сегментов Ethernet и Fast Ethernet , то главное отличие – полный отказ в Fast Ethernet от шинных сегментов и коаксиального кабеля. Остаются только сегменты на витой паре и оптоволоконные сегменты .
Стандарт 100BASE-TX определяет сеть с топологией пассивная звезда и использованием сдвоенной витой пары.
Схема объединения компьютеров в сеть 100BASE-TX практически ничем не отличается от схемы по стандарту 10BASE -T (рис. 12.1). Однако, в этом случае необходимо применение кабелей с неэкранированными витыми парами ( UTP ) категории 5 или выше, что связано с требуемой пропускной способностью кабеля. В настоящее время это самый популярный тип сети Fast Ethernet .
Из восьми контактов разъема RJ-45 используется только 4 контакта (табл. 12.1): два для передачи информации (TX+ и TX-) и два для приема информации (RX+ и RX-). Передача производится дифференциальными сигналами. Для передачи используется код 4В/5В, такой же, как в сети FDDI , что позволяет снизить частоту изменения сигналов по сравнению с манчестерским кодом . Это уже серьезный шаг в сторону от первоначального стандарта IEEE 802.3.
Стандарт предусматривает также возможность применения экранированного кабеля с двумя витыми парами проводов ( волновое сопротивление – 150 Ом). В этом случае должен применяться 9-контактный экранированный разъем DB-9 , он же разъем STP IBM типа 1 (рис. 12.2), такой же, как в сети Token-Ring. Назначение контактов этого разъема приведено в табл. 12.2.
Как и в случае 10BASE -T, в сети 100BASE-TX могут использоваться два типа кабеля: прямой и перекрестный (рис. 12.3). Для соединения двух компьютеров без применения концентраторов используется стандартный перекрестный ( crossover ) кабель . А для связи компьютера с концентратором применяется прямой (direct) кабель с соединенными между собой одинаковыми контактами разъемов. Если перекрестное соединение предусмотрено внутри концентратора, то соответствующий порт его должен быть помечен буквой "X".Здесь все точно так же, как и в случае 10BASE -T.
Для контроля целостности сети в 100BASE-TX предусмотрена передача в интервалах между сетевыми пакетами специальных сигналов ( FLP – Fast Link Pulse ). Но в отличие от 10BASE -T эти сигналы выполняют также функцию автоматического согласования скорости передачи аппаратных средств ( Auto-Negotiation ). Об этом автоматическом согласовании будет рассказано в разделе "Автоматическое определение типа сети".
Аннотация: Сети, в основе которых лежит соединение компьютеров кабелями, распространены сегодня сильнее всего. Все дело в том, что технологии проводных сетей позволяют создавать высокопроизводительные и недорогие решения, которые отлично подходят для любых целей. Проводные сети часто называют Ethernet-сетями – по названию технологии Ethernet, которая лежит в основе большинства таких сетей. Существуют и другие технологии проводных сетей, но они не пользуются такой же популярностью, как Ethernet.
1.1. Общие сведения о технологии Ethernet
Стандартизацией технологий локальных сетей занимается Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике, или, сокращенно IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers ). Стандарты, разрабатываемые этой организацией, имеют определенную нумерацию.
Группа стандартов, имеющих отношение к локальным сетям, имеет номер 802 – по номеру рабочей группы, которая еще в 80-х годах начала заниматься стандартизацией ЛВС . Сегодня в группу 802 входит множество подгрупп, среди которых можно отметить IEEE 802.3 , занимающуюся разработкой стандартов Ethernet -сетей, использующих метод доступа к среде CSMA/CD .
Технология Ethernet получила свое название благодаря своему создателю – Роберту Меткалфу. Он и его коллеги занимались работой над сетевыми технологиями в одной из лабораторий Xerox больше тридцати лет тому назад.
1.1.1. Общие характеристики сети 100Base-TX, Gigabit Ethernet
В качестве сред передачи данных разные версии Ethernet используют коаксиальный кабель , витую пару и оптоволокно . Сети на коаксиале морально устарели (хотя они все еще существуют), оптоволокно (наилучший по скорости и помехоустойчивости вариант) слишком дорого для широкого распространения, а витая пара стала самой распространенной средой передачи данных для локальных сетей.
Группа спецификаций IEEE 802.3 включает в себя немало стандартов, среди которых мы отметим несколько.
100Base-TX – наиболее актуальный для небольших локальных сетей. Эту технологию называют еще Fast Ethernet или 100 Mbit- Ethernet . Данное наименование может относиться и к другим реализациям Ethernet , но здесь под Fast Ethernet мы подразумеваем именно 100Base-TX .
Пропускная способность такой сети равняется 100 Мбит/с, в качестве среды передачи данных используется витая пара – в частности, для небольших локальных сетей наиболее актуально применение неэкранированной витой пары 5-й категории, так же возможно использование экранированной витой пары.
Gigabit Ethernet – гигабитный Ethernet – локальная сеть с пропускной способностью 1000 Мбит/с. Оборудование для этого вида Ethernet -сетей пока еще достаточно дорого, хотя вполне доступно. Существуют несколько вариантов Gigabit Ethernet - 1000Base-X, 1000Base-LX, 1000Base-SX, 1000Base-CX, 1000Base-T. В качестве физической среды передачи данных он может использовать ту же витую пару 5-й категории, что и Fast Ethernet , однако для подобной сети лучше всего подходят оптоволоконные линии связи.
1.1.2. Пропускная способность локальной сети
Пропускной способностью называется скорость передачи данных по линии связи. Единица измерения пропускной способности сети – бит в секунду. Существуют и альтернативные единицы измерения – например – пакет в секунду. Бит, как наименьшая единица информации, может принимать всего два значения – единица или ноль. Современные линии связи позволяют достигать очень высоких скоростей передачи данных и для удобства используют производные единицы измерения скорости – килобит в секунду (Кбит/с), мегабит в секунду (Мбит/с), гигабит в секунду (Гбит/с) и так далее.
"Сетевые" килобиты и мегабиты соответствуют традиционным метрическим величинам, принятым в других отраслях науки. То есть 1 Кбит/с соответствует 1000 Бит/с.
Для многих из нас удобнее работать с обычными "компьютерными" единицами количества информации, чем с метрическими. Для того, чтобы перейти от мегабитов и килобитов к мегабайтам и килобайтам нужно руководствоваться следующими соображениями. Во-первых, один байт равен восьми битам, а во-вторых, килобайт равен 1024 байтам, мегабайт 1024 килобайтам и так далее. То есть для того, чтобы перевести пропускную способность 100-мегабитной линии связи в мегабайты надо найти количество байтов, соответствующее 100 мегабитам и два раза разделить полученное значение на 1024. Считаем. 100 Мбит/с – это 100 000 000 Бит/с или 12 500 000 Байт/с (100 000 000/8). Теперь переходим к килобайтам в секунду. 12 500 000/1024=12207 Кб/с. Делим полученное значение в килобайтах на 1024 и получаем 11,9 Мб/с. Получается, что 100 Мбит/с – это примерно 12 Мбайт/с.
Говоря о пропускной способности линии связи надо учитывать, что она редко достигает максимальных для какой-либо технологии значения по причинам помех в линиях связи, ошибок в работе оборудования и так далее. Так же надо учитывать, что часть пропускной способности тратится на передачу служебной информации – в результате, например, линия связи с теоретической пропускной способностью в 12 Мбайт/с может передавать полезные данные со скоростью на несколько Мбайт/с меньшей, чем эта величина.
Прежде чем говорить о других свойствах сети, обсудим метод доступа к среде передачи данных , который в ней используется.
1.1.3. CSMA/CD
Выше мы упоминали метод доступа к среде передачи данных CSMA/CD , который используется в Ethernet -сетях.
CSMA/CD расшифровывается как Carrier Sense Multiply Access with Collision Detection - метод коллективного доступа с опознанием несущей и обнаружением коллизий. CSMA/CD используется в сетях с общей средой передачи данных – в случае с Ethernet – это кабель . Все компьютеры, подключенные к сети, могут принимать сигналы друг от друга, но одновременно обмениваться данными могут лишь два компьютера.
Для того, чтобы лучше понять, как же работает метод доступа CSMA/CD , попытаемся представить себе небольшую Ethernet -сеть из 8 компьютеров в виде комнаты, где разместились 8 человек, которые хотят пообщаться. Среда передачи данных – это воздух комнаты, посредством которого распространяются звуки, произносимые людьми. Одновременно могут общаться лишь два человека – если в маленькой комнатке одновременно начнут разговаривать несколько человек – да еще и в полный голос – всем придется туго – разобрать кто что сказал станет довольно сложно. А если в разговор двух людей случайно вклинится еще кто-нибудь – разговора может и не получиться – слова будут заглушены нежданным собеседником, их придется повторять или даже начинать разговор заново. Но в нашей воображаемой комнате существуют правила – двое могут непрерывно общаться лишь определенное время, замолкая после этого и давая возможность поговорить другим.
Точно так же и в случае с CSMA/CD – когда два компьютера общаются, остальные молчат. Когда эти компьютеры замолкают, другие могут начать разговор. Причем, в сети возможны исключительные ситуации – так называемые коллизии. Они случаются, например, если два компьютера одновременно начали передачу данных другим компьютерам. Сигналы в сети смешиваются, и на короткое время в сети возникает "молчание", после которого опять начинается передача данных. Понятно, что если в сети будет неисправная сетевая карта , которая будет непрерывно посылать в сеть сигналы (ее можно сравнить с участником вышеописанной беседы, который без остановки что-то кричит), работа сети будет остановлена.
Это очень упрощенное описание CSMA/CD , которое, однако, дает достаточно полное представление об этом методе доступа к среде и об особенностях работы Ethernet -сети. А теперь давайте рассмотрим еще некоторые характеристики Ethernet -сети.
1.1.4. Ограничения стандарта 100Base-TX
Стандарт 100Base-TX имеет определенные ограничения на структуру сети, построенной в соответствии с ним.
В частности, стандарт вводит ограничение на длину сегмента сети в 100 метров (на самом деле эта длина ограничена 94 метрами, но мы здесь и далее будем использовать круглую цифру 100). То есть, вы можете подключить к коммутатору несколько компьютеров кабелями , длина каждого из которых составляет 100 метров.
В стандарте существует такое понятие, как домен коллизий – сегмент сети, все узлы которого способны распознать коллизию независимо от места в сети, где она произошла. Именно для того, чтобы узлы могли правильно распознавать коллизии, и вводится ограничение на длину кабелей .
1.2. Топологии локальных сетей
Топология – это способ связи нескольких компьютеров в сеть .
Простейшая топология локальной сети – это связь двух компьютеров. Такую сеть можно организовать и по стандартам Ethernet , соединив сетевые карты двух машин особым образом разведенным кабелем .
Итак, простейшая топология – это одна связь , соединяющая два узла сети. На такую топологию похожа кольцевая топология , все узлы которой соединены в кольцо. Данные в такой сети обычно передаются от компьютера к компьютеру в одном направлении. Еще одна топология носит название общая шина . Она свойственна устаревшим Ethernet -сетям, построенным на основе коаксиального кабеля .
В настоящий момент наибольшее распространение получила топология " звезда " (рис. 1.1.) - актуальна она и для Ethernet -сетей. В центре "звезды" находится хаб ( коммутатор , концентратор, повторитель ) от которого отходят провода, соединяющие его с компьютерами.
Звездообразная топология отличается от шинной повышенной надежностью. Если какая-нибудь связь в шинной топологии будет повреждена, то сеть будет разбита на два независимых сегмента. А повреждение кабеля при звездообразной организации сети ведет лишь к отключению от коммутатора одного из компьютеров.
Надо отметить, что коммутаторы (а также маршрутизаторы) могут объединяться, образуя таким образом топологию "иерархическая звезда " - несколько обычных "звезд", соединенных линиями связи.
Существуют и другие топологии . Например, для глобальных сетей характерна ячеистая топология , когда от одного узла сети связи могут идти к нескольким другим. Полный вариант ячеистой топологии – это полносвязная топология – когда каждый из узлов сети имеет интерфейсы для связи со всеми остальными.
Читайте также: