Курс лекций "Сетевым технологиям"

Стандарт 10Base-T

В сетях 10Base-T в качестве, среды используются две неэкранированные витые пары. Многопарный кабель на основе неэкранированной витой пары категории 3 телефонные компании уже достаточно давно применяли для подключения теле­фонных аппаратов внутри зданий. Этот кабель носит также название Voice Grade, говорящее о том, что он предназначен для передачи голоса. Идея приспособить этот популярный вид кабеля для локальных сетей оказалась очень плодотворной, так как многие здания уже были оснащены нужной кабельной системой. Оставалось разработать способ подключения сетевых адаптеров и прочего коммуникационного оборудования к витой паре таким образом, чтобы изменения в сетевых адаптерах и программном обеспечении сетевых операцион­ных систем были минимальными по сравнению с сетями Ethernet на коаксиале. Эта попытка оказалась успешной — переход на витую пару требует только замены трансивера сетевого адаптера или порта маршрутизатора, а метод доступа и все протоколы канального уровня остаются теми же, что и в сетях Ethernet на коаксиале.

Конечные узлы соединяются с помощью двух витых пар по двухточечной топо­логии со специальным устройством — многопортовым повторителем. Одна ви­тая пара требуется для передачи данных от станции к повторителю (выход Тх сетевого адаптера), а другая — для передачи данных от повторителя к станции (вход Rx сетевого адаптера). На рис.7 показан пример трехпортового повторителя. Повторитель принимает сигналы от одного из конечных узлов и синхронно передает их на все свои остальные порты, кроме того, с которого поступили сигналы.

Рис. 7. Сеть стандарта 10 Base-Т

Многопортовые повторители в данном случае обычно называются концентраторами, или, на инженерном жаргоне, хабами. Концентратор осуществляет функ­ции повторителя сигналов на всех отрезках витых пар, подключенных к его пор­там, так что образуется единая среда передачи данных — логический моноканал (логическая общая шина). Концентратор обнаруживает коллизию в сегменте в случае одновременной передачи сигналов по нескольким своим Rх-входам и посылает jam-последовательность на все свои Тх-выходы. Стандарт определяет битовую скорость передачи данных 10 Мбит/с и максимальное расстояние отрезка витой пары между двумя непосредственно связанными узлами (станциями и концентраторами) не более 100 м при наличии витой пары качества не ниже ка­тегории 3. Это расстояние определяется полосой пропускания витой пары — на длине 100 м она позволяет передавать данные со скоростью 10 Мбит/с при ис­пользовании манчестерского кода.

Концентраторы 10Base-T можно соединять друг с другом с помощью тех же пор­тов, которые предназначены для подключения конечных узлов. При этом нужно позаботиться о том, чтобы передатчик и приемник одного порта были соединены соответственно с приемником и передатчиком другого порта.

В стандарте 10Base-T определено максимальное число концентраторов между любыми двумя станциями сети, а именно 4. Это правило носит название правила 4-х хабов.

Правило 4-х хабов подобно правилу 5-4-3, применяемому к коаксиальным сетям, служит для гарантированной синхронизации станций при реализации процедур доступа CSMA/CD и надежного распознавания станциями коллизий.

При создании сети 10Base-T с большим числом станций концентраторы можно соединять друг с другом иерархическим способом, образуя древовидную структуру (рис. 8).

Рис. 8. Иерархическое соединение концентратора Ethernet

Петлевидное соединение концентраторов в стандарте 10Base-T запрещено, так как оно приводит к некорректной работе сети. Это требование означает, что в сети 10Base-T не разрешается создавать параллельные каналы связи между критически важными концентраторами для резервирования связей на случай отказа порта, концентратора или кабеля. Резервирование связей возможно только за счет перевода одной из параллельных связей в неактивное (заблокированное) состояние.

--------------------------------------------------------------------------------------------

Общее количество станций в сети 10Base-T не должно превышать общего предела в 1024, и для данного типа физического уровня это количество действительно достижимо. Для этого достаточно создать двухуровневую иерархию концентраторов, расположив на нижнем уровне достаточное количество концентраторов с общим количеством портов 1024 (рис. 9). Конечные узлы нужно подключить к портам концентраторов нижнего уровня. Правило 4-х хабов при этом выполняется — между любыми конечными узлами будет ровно 3 концентратора.

Рис. 9. Схема с максимальным количеством станций

Очевидно, что если между любыми двумя узлами сети не должно быть больше 4-х повторителей, то, учитывая, что максимальная длина кабеля между повто­рителями равна 100 м, получаем, что максимальный диаметр сети 10Base-T составляет 5 * 100 = 500 м. Заметим, что это ограничение строже общего ограничения стандартов Ethernet в 2500 м.

Сети, построенные на основе стандарта 10Base-T, обладают по сравнению с коаксиальными вариантами Ethernet многими преимуществами. Эти преимущества связаны с разделением общего физического кабеля на отдельные кабельные отрезки, подключенные к центральному коммуникационному устройству. И хотя логически эти отрезки по-прежнему образуют общую разделяемую среду, их физическое разделение позволяет контролировать их состояние и отключать в случае обрыва, короткого замыкания или неисправности сетевого адаптера на индивидуальной основе. Это обстоятельство существенно облегчает эксплуатацию больших сетей Ethernet, так как концентратор обычно автоматически выполняет такие функции, уведомляя при этом администратора сети о возникшей проблеме.

В стандарте 10Base-T определена процедура тестирования физической работо­способности двух отрезков витой пары, соединяющих трансивер конечного узла и порт повторителя. Эта процедура называется тестом связности и основана на передаче каждые 16 мс специальных сигналов J и К манчестерского кода между передатчиком и приемником каждой витой пары. Напомним, что информацион­ные сигналы манчестерского кода всегда изменяют потенциал в середине такта. Коды J и К отличаются тем, что они нарушают это правило, сохраняя потенциал в середине такта неизменным. Коду J соответствует одно из двух значений потенциала, а коду К — другое. Так как коды J и К являются запрещенными при передаче кадров, то тестовые последовательности не влияют на работу алгорит­ма доступа к среде.

Появление между конечными узлами активного устройства, которое может контролировать работу узлов и изолировать от сети некорректно работающие узлы, является главным преимуществом технологии 10 Base-T по сравнению со сложными в эксплуатации коаксиальными сетями.

Волоконно-оптическая сеть Ethernet

В качестве среды передачи данных 10-мегабитная сеть Ethernet использует оп­тическое волокно. Оптоволоконные стандарты в качестве основного типа кабеля рекомендуют достаточно дешевое многомодовое оптическое волокно, обладаю­щее полосой пропускания 500-800 МГц при длине кабеля 1 км. Допустимо и бо­лее дорогое одномодовое оптическое волокно с полосой пропускания в несколь­ко гигагерц, но при этом нужно применять специальный тип трансивера.

Функционально сеть Ethernet на оптическом кабеле состоит из тех же элемен­тов, что и сеть стандарта 10Base-T — сетевых адаптеров, многопортового повто­рителя и отрезков кабеля, соединяющих адаптер с портом повторителя. Как и в случае витой пары, для соединения адаптера с повторителем используются два оптоволокна — одно соединяет выход Тх адаптера с входом Rx повторителя; а дру­гое — вход Rx адаптера с выходом Тх повторителя.

Стандарт FOIRL (Fiber Optic Inter-Repeater Link — волоконно-оптический ка­нал между повторителями) представляет собой первый стандарт комитета 802.3 для использования оптоволокна в сетях Ethernet. Он гарантирует длину оптово­локонной связи между повторителями до 1 км. Максимальное число повторите­лей между любыми узлами сети — 4. Как и в стандарте 10Base-5, максимального диаметра в 2500 м здесь достичь можно, однако отрезки кабеля предельного раз­мера между всеми 4 повторителями, а также между повторителями и конечными узлами недопустимы — иначе получится сеть длиной 5000 м.

Стандарт 10Base-FL представляет собой незначительное улучшение стандарта FOIRL. Увеличена мощность передатчиков, поэтому максимальное расстояние между узлом и концентратором увеличилось до 2000 м. Максимальное число по­вторителей между узлами осталось равным 4, и стандартная максимальная дли­на сети 2500 м достижима.

Стандарт 10Base-FB предназначен только для соединения повторителей. Конеч­ные узлы не могут использовать этот стандарт для присоединения к портам кон­центратора. Между узлами сети можно установить до 5 повторителей 10Base-FB при максимальной длине одного сегмента 2000 м и максимальной длине сети 2740 м.

Как и во всех стандартах Ethernet, оптоволоконные стандарты разрешают соеди­нять концентраторы только в древовидные иерархические структуры. Любые петли между портами концентраторов не допускаются.

Домен коллизий

Домен коллизий — это часть; сети Ethernet, все узлы которой конкурируют за общую разделяемую среду: передачи и, следовательно, каждый  узел которой может создать  коллизию с любым другим узлом этой части сети,

Сеть Ethernet, построенная на повторителях, всегда образует один домен колли­зий. Мосты, коммутаторы и маршрутизаторы делят сеть Ethernet на несколько доменов коллизий.

Приведенная на рис. 5 сеть представляет собой один домен коллизий. Если, например, столкновение кадров произошло в концентраторе 4, то в соответствии с логикой работы концентраторов 10Base-T сигнал коллизии распространится по всем портам всех концентраторов.

Если же вместо концентратора 3 поставить в сеть мост, то его порт С, связанный с концентратором 4, воспримет сигнал коллизии, но не передаст его на свои ос­тальные порты, так как это не входит в его обязанности. Мост просто отработает ситуацию коллизии средствами порта С, который подключен к общей среде, где эта коллизия возникла. Если коллизия возникла из-за того, что мост пытался передать через порт С кадр в концентратор 4, то, зафиксировав сигнал коллизии, порт С приостановит передачу кадра и попытается передать его повторно через случайный интервал времени. Если порт С принимал в момент возникновения коллизии кадр, то он просто отбросит полученное начало кадра и будет ожидать, когда узел, передававший кадр через концентратор 4, сделает повторную попыт­ку передачи. После успешного принятия данного кадра в свой буфер мост пере­даст его на другой порт в соответствии с таблицей продвижения, например на порт А. Все события, связанные с обработкой коллизий портом С, для остальных сегментов сети, которые подключены к другим портам моста, просто останутся неизвестными.

Общие характеристики стандартов Ethernet 10 Мбит/с

В табл. 1. и 2. сведены основные ограничения и характеристики стандартов Ethernet.

Таблица 1. Общие ограничения для всех стандартов Ethernet

Таблица 2. Параметры спецификаций физического уровня для стандарта Ethernet