Курс лекций "Сетевым технологиям"

Скоростные  версии Ethernet

Скорость 10 Мбит/с первой стандартной версии Ethernet. долгое время удовлетворяла потребности пользователей локальных сетей. Однако в начале 90-х годов начала ощущаться недостаточная пропускная способность Ethernet, так как скорость обмена с сетью стала существенно меньше скорости внутренней шины компьютера. Кроме того, начали появляться новые мультимедийные приложения, гораздо более требовательные к скорости сети, чем их текстовые предшественники. В поисках решения проблемы ведущие производители сетевого оборудования начали интенсивные работы по повышению скорости Ethernet. при сохранении главного достоинства этой технологии — простоты и низкой стоимости оборудования.

Результатом стало появление новых скоростных стандартов Ethernet: Fast Ethernet (скорость 100 Мбит/с), Gigabit Ethernet (1000 Мбит/с или 1 Гбит/с) и 10G Ethernet (10 Гбит/с). Два новых стандарта — 40G Ethernet и 100G Ethernet — находились в стадии разработки, обещая следующее десятикратное превышение верхней границы производительности Ethernet .

Разработчикам новых скоростных стандартов Ethernet удалось сохранить основные черты классической технологии Ethernet, и, прежде всего, простой способ обмена кадрами без встроенных в технологию сложных контрольных процедур. Этот фактор оказался решающим в соревновании технологий локальных сетей, так как выбор пользователей всегда склонялся в пользу простого наращивания скорости сети, а не в пользу решений, связанных с более эффективным расходованием той же самой пропускной способности с помощью более сложной и дорогой технологии. Примером такого подхода служит переход с оборудования Fast Ethernet на Gigabit Ethernet вместо перехода на оборудование АТМ со скоростью 155 Мбит/с. Несмотря на значительную разницу в пропускной способности (1000 Мбит/с против 155 Мбит/с), оба варианта обновления сети примерно равны по степени положительного влияния на «самочувствие» приложений, так как Gigabit Ethernet достигает нужного эффекта за счет равного повышения доли пропускной способности для всех приложений, а АТМ перераспределяет меньшую пропускную способность более тонко, дифференцируя ее в соответствии с потребностями приложений. Тем не менее пользователи предпочли не вдаваться в детали и тонкости настройки сложного оборудования, когда можно просто применить знакомое и простое, но более скоростное оборудование Значительный вклад в «победу» Ethernet внесли также коммутаторы локальных сетей, так как их успех привел к отказу от разделяемой среды, где технология Ethernet всегда была уязвимой из-за случайного характера метода доступа. Начиная с версии 10G Ethernet разработчики перестали включать вариант работы на разделяемой среде в описание стандарта. Коммутаторы с портами Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, Ethernet и 10G Ethernet работают по одному и тому же алгоритму, описанному в стандарте IEEE 802.1D. Возможность комбинировать порты с различными скоростями в диапазоне от 10 Мбит/с до 10 Гбит/с делает коммутаторы Ethernet гибкими и эффективными сетевыми устройствами, позволяющими строить разнообразные сети.

Повышение скорости работы Ethernet было достигнуто за счет улучшения качества кабелей, применяемых в компьютерных сетях, а также совершенствования методов кодирования данных при их передаче по кабелям, то есть за счет совершенствования физического уровня технологии.

FAST ETHERNET

История создания

В 1992 году группа производителей сетевого оборудования, включая таких лидеров технологии , Ethernet как SynOptics, 3Соm и ряд других, образовала некоммерческое объединение Fast Ethernet Аllапсе для разработки стандарта новой технологии, которая должна была обеспечить резкое повышение производительности при максимально возможном сохранении особенностей технологии Ethernet.

В комитете 802 института IЕЕЕ в это же время была сформирована исследовательская группа для изучения технического потенциала новых высокоскоростных технологий. За период с конца 1992 года и по конец 1993 года группа IEЕЕ изучила 100-мегабитные решения, предложенные различными производителями. Наряду с предложениями Fast Ethernet. Аllаnсе группа рассмотрела также и высокоскоростную технологию, предложенную компаниями Неwlett-Расkard и АТ&Т.

В центре дискуссий была проблема сохранения метода случайного доступа СSМА/СD. Предложение Fast Ethernet Аllаnсе сохраняло этот метод и тем самым обеспечивало преемственность и согласованность сетей со скоростями 10 Мбит/с и 100 Мбит/с. Коалиция НР и АТ&Т, которая заручилась поддержкой значительно меньшего числа производителей в сетевой индустрии, чем Fast Ethernet Аllаnсе, предложила совершенно новый метод доступа, названный приоритетным доступом по требованию (demand prioriti). Он существенно менял картину поведения узлов в сети, поэтому не смог вписаться в технологию Ethernet  и стандарт 802.3; для его стандартизации был организован новый комитет IEЕЕ 802.12.

Осенью 1995 года обе технологии стали стандартами  IEЕЕ. Комитет IEЕЕ 802.3 принял спецификацию Fast Ethernet в качестве стандарта 802.Зu, который не является самостоятельным стандартом, а представляет собой дополнение к существующему стандарту 802.3 в виде глав с 21 по 30. Комитет 802.12 принял технологию 100VG-АnyLan, в которой использовался приоритетный доступ по требованию и поддерживались кадры двух форматов — Ethernet. и Токеn Ring.

Технологии  Fast Ethernet и 100VG-АnyLan в первые месяцы своего существования рассматривались как равные соперники, но очень скоро стало ясно, что пользователи предпочитают более простую и знакомую технологию Fast Ethernet. Вскоре технология 100VG-АnyLan прекратила свое существование; немаловажным фактором этого стал и переход локальных сетей на полностью коммутируемые версии, сводящий «на нет» преимущества более совершенного метода доступа технологии 100VG-АnyLan.

Физические  уровни технологии Fast Ethernet

Все отличия  технологий Fast Ethernet и Ethernet сосредоточены на физическом уровне (рис. 1). Уровни МАС и LLС в Fast Ethernet остались абсолютно теми же, и их описывают прежние главы стандартов 802.3 и 802.2. Поэтому, рассматривая технологию Fast Ethernet, мы будем изучать только несколько вариантов ее физического уровня.

Организация физического уровня технологии Fast Ethernet является более сложной, поскольку в ней используются три варианта кабельных систем:

• волоконно-оптический многомодовый кабель (два волокна);
• витая пара категории 5 (две пары);
• витая пара категории 3 (четыре пары).

Рис. 1. Отличия технологий Fast Ethernet и Ethernet

Коаксиальный  кабель, давший миру первую сеть Ethernet, в число разрешенных сред передачи данных новой технологии Fast Ethernet не попал. Это общая тенденция многих новых технологий, поскольку на небольших расстояниях витая пара категории 5 позволяет передавать данные с той же скоростью, что и коаксиальный кабель, но сеть получается более дешевой и удобной в эксплуатации. На больших расстояниях оптическое волокно обладает гораздо более широкой полосой пропускания, чем коаксиал, а стоимость сети получается ненамного выше, особенно если учесть высокие затраты на поиск и устранение неисправностей в крупной кабельной коаксиальной системе.

Официальный стандарт 802.3 установил три различных спецификации для физического уровня Fast Ethernet и дал им следующие названия (рис. 2):

• 100Ваsе-ТХ для двухпарного кабеля на неэкранированной витой паре UТР категории 5 или экранированной витой паре SТР типа 1;
• 100Base-Т4 для четырехпарного кабеля на неэкранированной витой паре UТР категории 3, 4 или 5;
• 100Base -FХ для многомодового оптоволоконного кабеля с двумя волокнами.

Для всех трех стандартов справедливы перечисленные  далее утверждения и характеристики.

Рис. 2. Структура физического уровня Fast Ethernet   

Межкадровый интервал равен 0,96 мкс, а битовый  интервал — 10 нc. Все временные параметры алгоритма доступа (интервал отсрочки, время передачи кадра минимальной длины и т. п.), измеренные в битовых интервалах, остались прежними.

Признаком свободного состояния среды является передача по ней символа простоя  источника — соответствующего избыточного кода (а не отсутствие сигналов, как в стандартах Ethernet со скоростью 10 Мбит/с).

Физический  уровень включает три элемента.

□   Независимый от среды  интерфейс (Меdia Independent Interfece, МII).

□  Уровень согласования нужен для того, чтобы уровень МАС, рассчитанный на интерфейс АUI мог работать с физическим уровнем через интерфейс МII.

□ Устройство физического уровня (Рhysical Layer Device, РНY) состоит, в свою очередь, из нескольких подуровней (см. рис. 1):

• подуровня логического кодирования данных, преобразующего поступающие от уровня МАС байты в символы кода 4В/5В или 8В/6Т (первый метод кодирования используются в версиях 100Base-ТХ и100Base-FХ, второй — в версии 100Base-Т4);
• подуровней физического присоединения и зависимости от физической среды, которые обеспечивают формирование сигналов в соответствии с методом физического кодирования, например NRZI или МLT-З;
• подуровня автопереговоров, который позволяет двум взаимодействующим портам автоматически выбрать наиболее эффективный режим работы, например полудуплексный или дуплексный (этот подуровень является факультативным).

Интерфейс МII поддерживает независимый от физической среды способ обмена данными между подуровнем МАС и подуровнем РНY. Этот интерфейс аналогичен по назначению интерфейсу АUI классического стандарта Ethernet, за исключением того, что интерфейс АUI располагался между подуровнем физического кодирования сигнала (для любых вариантов кабеля использовался одинаковый метод физического кодирования — манчестерский код) и подуровнем физического присоединения к среде, а интерфейс МII располагается между подуровнем МАС и подуровнями кодирования сигнала, которых в стандарте Fast Ethernet три: FХ, ТХ и Т4.

Версия 100Base-Т4 носила промежуточный характер, так как она позволяла повысить скорость классического варианта Ethernet   в 10 раз, не меняя кабельную систему здания. Так как большинство предприятий и организаций достаточно быстро заменили кабели категории 3 кабелями категории 5, то необходимость в версии 100Base-Т4 отпала, и оборудование с такими портами перестало выпускаться. Поэтому далее мы рассмотрим детали только спецификаций 100Base-FХ и 100Bазе-ТХ.

Спецификация  100Base-FХ определяет работу протокола Fast Ethernet по многомодовому оптоволокну в полудуплексном и дуплексном режимах. В то время как в Ethernet со скоростью передачи 10 Мбит/с используется манчестерское кодирование для представления данных, в стандарте Fast Ethernet определен другой метод кодирования — 4В/5В. Этот метод к моменту разработки технологии Fast Ethernet уже показал свою эффективность в сетях FDDI, поэтому он без изменений был перенесен в спецификацию 100Base-FХ/ТХ. В этом методе каждые четыре бита данных подуровня МАС (называемых символами) представляются пятью битами. Избыточный бит позволяет применить потенциальные коды при представлении каждого из пяти битов в виде электрических или оптических импульсов.

Существование запрещенных комбинаций символов позволяет  отбраковывать ошибочные символы, что повышает устойчивость работы сетей 100Base-FХ/ТХ. Так, в Fast Ethernet признаком того, что среда свободна, стала повторяющаяся передача одного из запрещенных для кодирования пользовательских данных символа, а именно символа простоя источника Idle (11111). Такой способ позволяет приемнику всегда находиться в синхронизме с передатчиком.

Для отделения  кадра Ethernet от символов простоя источника используется комбинация символов начального ограничителя кадра — пара символов J (11000) и К (10001) кода 4В/5В, а после завершения кадра перед первым символом простоя источника вставляется символ T (рис. 3).

Рис. 3. Непрерывный поток данных спецификаций 100Ваsе-FХ/ТХ 

После преобразования 4-битных порций кодов  МАС в 5-битные порции физического уровня их необходимо представить в виде оптических или электрических сигналов в кабеле, соединяющем узлы сети. В спецификациях 100Base-FХ и 100Base-ТХ для этого используются, соответственно, методы физического кодирования NRZI и МLТ-3.

В спецификации 100Ваsе-ТХ в качестве среды передачи данных используется витая пара UTP категории 5 или SТР типа 1. Основным отличием от спецификации 100Ваsе-FХ (наряду с методом кодирования МLТ-3) является наличие схемы автопереговоров для выбора режима работы порта.

Схема автопереговоров позволяет двум физически соединенным устройствам, которые поддерживают несколько стандартов физического уровня, отличающихся битовой скоростью и количеством витых пар, согласовать наиболее выгодный режим работы. Обычно процедура автопереговоров происходит при подсоединении сетевого адаптера, который может работать на скоростях 10 и 100 Мбит/с, к концентратору или коммутатору. Всего в настоящее время определено 5 различных режимов работы, которые могут поддерживать устройства 100Ваsе-ТХ/Т4 на витых парах:

• 10Bаsе-Т;
• дуплексный режим 100Bаsе-Т;
• 100Ваsе-ТХ;
• 100Ваsе-Т4;
• дуплексный режим 100Ваsе-ТХ.

Режим 100Base-Т имеет самый низкий приоритет в переговорном процессе, а дуплексный режим 100Base-ТХ — самый высокий.

Переговорный  процесс происходит при включении питания устройства, а также может быть инициирован в любой момент модулем управления устройства. Устройство, начавшее процесс автопереговоров, посылает своему партнеру пачку специальных импульсов FLP (Fast Link Pulse), в которой содержится 8-битное слово, кодирующее предлагаемый режим взаимодействия, начиная с самого приоритетного, поддерживаемого данным узлом. Импульсы FLP имеют длительность 100 нc, как и импульсы LIT, используемые для тестирования целостности физического соединения в стандарте 100Base-Т, однако вместо передачи одного импульса LIT через каждые 16 мс, здесь через тот же интервал передается пачка импульсов FLP.