Fast Ethernet и 100VG-AnyLAN как развитие технологии Ethernet

Опубликовано: 03.09.2018

Лекция 13

Fast Ethernet и 100VG-AnyLAN как развитие технологии Ethernet

В начале 90-х годов пропускной способности 10-мегабитного Ethernet стало недостаточно. С появлением станций с шиной PCI (133 Мбайт/с) пропускная способность сегмента Ethernet упала до 1/133 канала "память-диск". Поэтому многие сегменты сети стали перегруженными, реакция серверов в них значительно упала, а частота возникновения коллизий существенно возросла, еще более снижая полезную пропускную способность.

В результате поисков и исследований специалисты разделились на  два лагеря, что в конце концов привело к появлению двух новых технологий — Fast   Ethernet и 100VG-AnyLAN. Они отличаются степенью преемственности с классическим Ethernet.

В центре дискуссий была проблема сохранения случайного метода доступа CSMA/CD. Предложение Fast   Ethernet   Alliance сохранило этот метод и тем самым обеспечило преемственность и согласованность сетей 10 Мбит/с и 100 Мбит/с.

Коалиция HP и AT & T , которая имела поддержку значительно меньшего числа производителей в сетевой индустрии, чем Fast   Ethernet   Alliance , предложила совершенно новый метод доступа, названный Demand   Priority — приоритетный доступ по требованию . Он существенно менял картину поведения узлов в сети, поэтому не смог вписаться в технологию Ethernet и стандарт 802.3, и для его стандартизации был организован новый комитет IEEE 802.12.

Физический уровень технологии Fast Ethernet. Все отличия этой технологии сосредоточены на физическом уровне. Уровни MAC и LLC остались абсолютно теми же.

Более сложная структура физического уровня технологии Fast   Ethernet вызвана тем, что в ней используются три варианта кабельных систем:

  Волоконно-оптический многомодовый кабель, используются два волокна;   Витая пара категории 5, используются две пары;   Витая пара категории 3, используются четыре пары.

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

Отказ от коаксиального кабеля привел к тому, что сети Fast   Ethernet всегда имеют иерархическую древовидную структуру, построенную на концентраторах, как и сети 10 Base - T /10 Base - F . Основным отличием конфигураций сетей Fast   Ethernet является сокращение диаметра сети примерно до 200 м, что объясняется уменьшением времени передачи кадра минимальной длины в 10 раз за счет увеличения скорости передачи.

Тем не менее, это обстоятельство не очень препятствует построению крупных сетей на основе технологии Fast   Ethernet . Дело в том, что середина 90-х годов отмечена не только широким распространением недорогих высокоскоростных технологий, но и бурным развитием локальных сетей на основе коммутаторов. При использовании коммутаторов протокол Fast   Ethernet может работать в полнодуплексном режиме, в котором нет ограничений на общую длину сети, а остаются только ограничения на длину физических сегментов, соединяющих соседние устройства (адаптер - коммутатор или коммутатор - коммутатор). Поэтому при создании магистралей локальных сетей большой протяженности технология Fast   Ethernet также активно применяется, но только в полнодуплексном варианте, совместно с коммутаторами.

По сравнению с вариантами физической реализации Ethernet (а их насчитывается шесть), в Fast   Ethernet отличия каждого варианта от других глубже — меняется как количество проводников, так и методы кодирования. А так как физические варианты Fast   Ethernet создавались одновременно, а не эволюционно, как для сетей Ethernet , то имелась возможность детально определить те подуровни физического уровня, которые не изменяются от варианта к варианту, и те подуровни, которые специфичны для каждого варианта физической среды.

Официальный стандарт 802.3 u установил три различных спецификации для физического уровня Fast   Ethernet (Рисунок 56.), и дал им следующие названия:

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

Для всех трех стандартов справедливы следующие утверждения и характеристики.

  Форматы кадров технологии Fast   Ethernet отличаются от форматов кадров технологий 10-мегабитного Ethernet .   Межкадровый интервал ( IPG ) равен 0,96 мкс, а битовый интервал равен 10 нс. Все временные параметры алгоритма доступа (интервал отсрочки, время передачи кадра минимальной длины и т.п.), измеренные в битовых интервалах, остались прежними, поэтому изменения в разделы стандарта, касающиеся уровня MAC , не вносились.   Признаком свободного состояния среды является передача по ней символа Idle соответствующего избыточного кода (а не отсутствие сигналов, как в стандартной Ethernet 10 Мбит/с).

Физический уровень включает триэлемента:

  Уровень согласования ( reconciliation );   Независимый от среды интерфейс ( Media   Independent   Interface );   Устройство физического уровня ( Physical   layer   device ).

Рисунок 56. Стандарт 802.3 u

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

Устройство физического уровня ( PHY ) состоит, в свою очередь, из нескольких подуровней:

  Подуровня логического кодирования данных, преобразующего поступающие от уровня MAC   байты в символы кода 4В/5В или 8В/6Т (оба кода используются в технологии Fast   Ethernet );   Подуровней физического присоединения и подуровня зависимости от физической среды ( PMD ), которые обеспечивают формирование сигналов в соответствии с методом физического кодирования, например NRZI или MLT -3;   Подуровня автопереговоров, который позволяет двум взаимодействующим портам автоматически выбрать наиболее эффективный режим работы, например, полудуплексный или полнодуплексный (этот подуровень является факультативным).

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

Правила построения сегментов Fast   Ethernet при использовании повторителей. Как и все некоаксиальные варианты Ethernet эта технология рассчитана на использование концентраторов-повторителей для образования связей в сети. Правила корректного построения сегментов сетей Fast   Ethernet включают:

  ограничения на максимальные длины сегментов, соединяющих DTE с DTE ( Data   Terminal   Equipment ),   ограничения на максимальные длины сегментов, соединяющих DTE с портом повторителя,   ограничения на максимальный диаметр сети,   ограничения на максимальное число повторителей и максимальную длину сегмента, соединяющего повторители.

В качестве DTE может выступать любой источник кадров данных для сети: сетевой адаптер, порт моста, порт маршрутизатора, модуль управления сетью и другие подобные устройства. Отличительной особенностью DTE является то, что он вырабатывает новый кадр для разделяемого сегмента (мост или коммутатор, хотя и передают через выходной порт кадр, который выработал в свое время сетевой адаптер, но для сегмента сети, к которому подключен выходной порт, этот кадр является новым). Порт повторителя не является DTE , так как он побитно повторяет уже появившийся в сегменте кадр.

Максимальные длины сегментов DTE - DTE  

Стандарт

Тип кабеля

Максимальная длина сегмента

100 Base - TX

Категория 5 UTP

100 м

100Base-FX

Многомодовое оптоволокно 62,5/125 мкм

412 м (полудуплекс)

2 км (полный дуплекс)

100 Base - T 4

Категория 3,4 или 5 UTP

100 м

Небольшое количество повторителей Fast   Ethernet не является серьезным препятствием при построении больших сетей, так как применение коммутаторов и маршрутизаторов делит сеть на несколько доменов коллизий, каждый из которых будет строиться на одном или двух повторителях. Общая длина сети не будет иметь в этом случае ограничений.

Особенности технологии 100 VG - AnyLAN . Эта технология значительно отличается от Fast   Ethernet :

  Используется другой метод доступа Demand   Priority , который обеспечивает более справедливое распределение пропускной способности сети по сравнению с методом CSMA / CD . Кроме того, этот метод поддерживает приоритетный доступ для синхронных приложений.   Кадры передаются не всем станциям сети, а только станциям назначения.   В сети есть выделенный арбитр доступа — концентратор, и это заметно отличает данную технологию от других, в которых применяется распределенный между станциями сети алгоритм доступа.   Поддерживаются кадры двух технологий — Ethernet и Token   Ring (именно это обстоятельство дало добавку AnyLAN в названии технологии).   Данные передаются одновременно по 4 парам кабеля UTP категории 3. По каждой паре данные передаются со скоростью 25 Мбит/с, что в сумме дает 100 Мбит/с. В отличие от Fast   Ethernet в сетях 100 VG - AnyLAN нет коллизий, поэтому удалось использовать для передачи все четыре пары стандартного кабеля категории 3. Для кодирования данных применяется код 5В/6В, который обеспечивает спектр сигнала в диапазоне до 16 МГц (полоса пропускания UTP категории 3) при скорости передачи данных 25 Мбит/с.

Метод доступа Demand   Priority (Рисунок 57.) основан на передаче концентратору функций арбитра, решающего проблему доступа к разделяемой среде. Сеть 100 VG - AnyLAN состоит из центрального концентратора, называемого также корневым, и соединенных с ним конечных узлов и других концентраторов.

Допускаются три уровня каскадирования. Каждый концентратор и сетевой адаптер 100 VG - AnyLAN должен быть настроен либо на работу с кадрами Ethernet , либо с кадрами Token   Ring , причем одновременно циркуляция обоих типов кадров не допускается.

Концентратор циклически выполняет опрос портов. Станция , желающая передать пакет, посылает специальный низкочастотный сигнал концентратору, запрашивая передачу кадра и указывая его приоритет. В сети 100 VG - AnyLAN используются два уровня приоритетов — низкий и высокий. Низкий уровень приоритета соответствует обычным данным (файловая служба, служба печати и др.), а высокий приоритет способствует данным, чувствительным к временным задержкам (например, мультимедиа). Приоритеты запросов имеют статическую и динамическую составляющие, то есть станция с низким уровнем приоритета, долго не имеющая доступа к сети получает высокий приоритет.

Если сеть свободна, то концентратор разрешает передачу пакета. После анализа адреса получателя в принятом пакете концентратор автоматически отправляет пакет станции назначения. Если сеть занята, концентратор ставит полученный запрос в очередь, которая обрабатывается в соответствии с порядком поступления запросов и с учетом приоритетов. Если к порту подключен другой концентратор, то опрос приостанавливается до завершения опроса концентратором нижнего уровня. Станции, подключенные к концентраторам различного уровня иерархии, не имеют преимуществ по доступу к разделяемой среде, так как решение о предоставлении доступа принимается после проведения опроса всеми концентраторами опроса всех своих портов.

Рисунок 57. Доступ в технологии 100 VG - AnyLAN

Остается неясным вопрос — каким образом концентратор узнает, к какому порту подключена станция назначения? Во всех других технологиях кадр просто передавался всем станциям сети, а станция назначения, распознав свой адрес, копировала кадр в буфер. Для решения этой задачи концентратор узнает адрес МАС станции в момент физического присоединения ее к сети кабелем. Если в других технологиях процедура физического соединения выясняет связность кабеля ( link   test в технологии 10 Base - T ), тип порта (технология FDDI ), скорость работы порта (процедура auto - negotiation в Fast   Ethernet ), то в технологии 100 VG - AnyLAN концентратор при установлении физического соединения выясняет адрес МАС станции. И запоминает его в таблице адресов МАС, аналогичной таблице моста/коммутатора. Отличие концентратора 100 VG - AnyLAN от моста/коммутатора в том, что у него нет внутреннего буфера для хранения кадров. Поэтому он принимает от станций сети только один кадр, отправляет его на порт назначения и, пока этот кадр не будет полностью принят станцией назначения, новые кадры  концентратор не принимает. Так что эффект разделяемой среды сохраняется. Улучшается только безопасность сети – кадры не попадают в чужие порты, и их труднее перехватить.

Технология 100 VG - AnyLAN поддерживает несколько спецификаций физического уровня. Первоначальный вариант был рассчитан на четыре неэкранированные витые пары категорий 3, 4, 5. Позже появились варианты физического уровня, рассчитанные на две неэкранированные витые пары категории 5, две экранированные витые пары типа 1 или же два оптических многомодовых оптоволокна.

Важная особенность технологии 100 VG - AnyLAN — сохранение форматов кадров Ethernet и Token   ring . Сторонники 100 VG - AnyLAN утверждают, что этот подход облегчит межсетевое взаимодействие через мосты и маршрутизаторы, а также обеспечит совместимость с существующими средствами сетевого управления, в частности с анализаторами протоколов.

Несмотря на множество хороших технических решений, технология 100 VG - AnyLAN не нашла большого количества сторонников и значительно уступает по популярности технологии Fast   Ethernet . Возможно это произошло из-за того, что технические возможности поддержки разных типов трафика у технологии АТМ существенно шире, чем у 100 VG - AnyLAN . Поэтому при необходимости тонкого обеспечения качества обслуживания применяют технологию АТМ. А для сетей, в которых нет необходимости поддерживать качество обслуживания на уровне разделяемых сегментов, более привычной оказалась технология Fast   Ethernet . Тем более, что для поддержки очень требовательных к скорости передачи данных приложений имеется технология Gigabit   Ethernet , которая, сохраняя преемственность с Ethernet и Fast   Ethernet , обеспечивает скорость передачи данных 1000 Мбит/с.

Высокоскоростная технология Gigabit   Ethernet .

Разработчики стандарта Gigabit   Ethernet  максимально сохранили идеи классической технологии Ethernet при достижении битовой скорости 1000 Мбит/с. Так как при разработке новой технологии естественно ожидать некоторых технических новинок, идущих в общем русле развития сетевых технологий, то важно отметить, что Gigabit   Ethernet не поддерживает: качество обслуживания, избыточные связи, тестирование работоспособности узлов и оборудования (за исключением тестирования связи порт-порт).

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

Избыточные связи и тестирование оборудования не поддерживаются технологией Gigabit   Ethernet из-за того, что с этими задачами хорошо справляются протоколы более высоких уровней, например, протоколы маршрутизации.

Общими в технологии остаются:

  Все форматы кадров.   Сохраняется полудуплексная версия протокола, поддерживающая метод доступа CSMA / CD , и полнодуплексная версия, работающая с коммутаторами.   Поддерживаются все виды кабелей: волоконно-оптический, витая пара категории 5, коаксиал.

Для сохранения этих свойств разработчикам пришлось внести изменения не только в физический уровень, но и в уровень МАС.

Расширение  максимального диаметра сети Gigabit   Ethernet в полудуплексном режиме до 200 м основывается на известном соотношении времени передачи кадра минимальной длины и времени двойного оборота. Минимальный размер кадра увеличен (без учета преамбулы) с 64 до 512 байт или до 4096 бит. Соответственно, время двойного оборота теперь можно увеличить до 4095 бит, что делает допустимым диаметр сети около 200 м при использовании одного повторителя. При двойной задержке сигнала в 10 бит/м оптоволоконные кабели длиной 100 м вносят вклад во время двойного оборота по 1000 бит, и если сетевые адаптеры будут вносить такие же задержки, как в технологии Fast   Ethernet , то задержка повторителя в 1000 бит и пары сетевых адаптеров в 1000 бит дадут в сумме время двойного оборота 4000 бит, что удовлетворяет условию распознавания коллизий. Для увеличения длины кадра до требуемой в новой технологии величины сетевой адаптер должен дополнить поле данных до длины 448 байт так называемым расширением, представляющим собой поле, заполненное запрещенными символами кода 8В/10В, которые невозможно принять за коды данных.

Для сокращения накладных расходов при использовании слишком длинных кадров для передачи коротких квитанций разработчики стандарта разрешили конечным узлам передавать несколько кадров подряд, без передачи среды другим станциям. Такой режим получил название Burst   Mode — монопольный пакетный режим. Станция может передать подряд несколько кадров с общей длиной не более 65536 бит (8192 байт). Если станции нужно передать несколько небольших кадров, то она может не дополнять их до размера в 512 байт, а передавать подряд до исчерпания предела в 8192 байт (в этот предел входят все байты кадра, в том числе преамбула, заголовок, данные и контрольная сумма). Предел 8192 байт называется Burst   Length . Если станция начала передавать кадр и предел Burst   Length был достигнут в середине кадра, то кадр разрешается передать до конца.

Увеличение "совмещенного" кадра до 8192 байт несколько задерживает доступ к разделяемой среде других станций, но при скорости 1000 мбит/с эта задержка не столь существенна.

В стандарте 802.3 z  определены следующие типы физической среды:

  одномодовый волоконно-оптический кабель;   многомодовый волоконно-оптический кабель 62,5/125;   многомодовый волоконно-оптический кабель 50/125;   двойной коаксиал с волновым сопротивлением 75 Ом.

Многомодовый кабель. Применяются излучатели с длинами волн 1300 и 850 нм. Применение светодиодов с длиной волны 850 нм объясняется тем, что они намного дешевле, чем светодиоды, работающие на волне 1300 нм, хотя при этом максимальная длина кабеля уменьшается, так как затухание многомодового оптоволокна на волне 850 нм более чем в два раза выше, чем на волне 1300 нм.

Стандарт определяет спецификации 1000 Base - SX ( Short   Wavelength - 850 нм) и 1000 base - LX ( Long   Wavelength - 1300нм).

Для спецификации 1000 Base - SX предельная длина оптоволоконного сегмента для кабеля 62,5/125 составляет 220 м, а для кабеля 50/125 — 500 м. Очевидно, что эти макссимальные значения могут достигаться только для полнодуплексной передачи данных, так как время двойного оборота сигнала на двух отрезках 220 м равно 4400 бит, что превосходит предел 4095 бит даже без учета повторителя и сетевых адаптеров. Для полудуплексной передачи максимальные значения сегментов оптоволоконного кабеля всегда должны быть меньше 100 м. Указанные расстояния в 220 и 500 м рассчитаны для случая полосы пропускания, находящейся в пределах от 160 до 500 МГц/км. Реально кабели имеют характеристики между 600 и 1000 МГц/км, что позволяет увеличить длину кабеля до 800 м.

Одномодовый кабель. Основная область применения стандарта 1000 base - LX — это одномодовое оптоволокно длиной до 5000 м. При работе на многомодовом кабеле предельное расстояние ограничено 550 м. Это связано с особенностями распространения когерентного света в широком канале многомодового кабеля. Для присоединения лазерного трансивера к многомодовому кабелю необходимо использовать специальный адаптер.

Твинаксиальный кабель. Среда передачи ( Twinax ) состоит из пары проводников с волновым сопротивлением 150 Ом (2*75 Ом), каждый из которых окружен экранирующей оплеткой. Данные посылаются одновременно, при этом получается режим полудуплексной передачи. Для обеспечения полнодуплексной передачи необходимы еще две пары коаксиальных проводников (специальный Quad -кабель из четырех коаксиалов). Внешне он похож на кабель категории 5 с соответственным диаметром и гибкостью. Максимальная длина твинаксиального сегмента составляет всего 25 м, поэтому это решение подходит для оборудования, расположенного в одной комнате.

Витая пара категории 5. Для передачи по такому кабелю данных со скоростью 1000 Мбит/с организуется параллельная передача сразу по четырем парам кабеля (Рисунок 58.) (как в технологии 100 VG - AnyLAN ). На каждой паре скорость передачи данных составляет 250 Мбит/с, что требует спектра сигнала не больше 100 МГц. Для кодирования данных применяется код РАМ5, использующий 5 уровней потенциала -2, -1, 0, +1, +2. Поэтому за один такт по одной паре передается 2,322 бит информации. Следовательно тактовую частоту можно снизить до 125 МГц. При этом если использовать не все коды, а передавать 8 бит за один такт (по 4 парам), то выдерживается требуемая скорость передачи в 1000 Мбит/с и еще остается запас неиспользуемых кодов, так как код РАМ5 содержит 5 4  = 625 комбинаций, а для передачи за один такт по всем четырем парам 8 бит данных требуется всего2 8 = 256 комбинаций. Оставшиеся комбинации приемник может использовать для контроля принимаемой информации и выделения правильных комбинаций на фоне шума. Код РАМ5 на тактовой частоте 125 МГц укладывается в полосу 100 МГц кабеля категории 5.

Рисунок 58. Передача данных по витой паре в технологии Gigabit   Ethernet

Для распознавания коллизий и организации полнодуплексного режима применяют технику, используемую при организации дуплексного режима на одной паре проводов в современных модемах и аппаратуре передачи данных абонентских окончаний ISDN . Вместо передачи по разным парам проводов или разнесения сигналов двух одновременно работающих навстречу передатчиков по диапазону частот оба передатчика работают навстречу друг другу по каждой из 4-х пар в одном и том же диапазоне частот, так как используют один и тот же потенциальный код РАМ5. Схема гибридной развязки Н позволяет приемнику и передатчику одного и того же узла использовать одновременно витую пару и для приема и для передачи.

Для отделения принимаемого сигнала от своего собственного приемник вычитает из результирующего сигнала известный ему свой сигнал. Естественно, что это не простая операция и для ее выполнения используются специальные цифровые сигнальные процессоры - DSP . Такая техника уже прошла проверку практикой в модемах и сетях ISDN , где однако, она применялась на других скоростях. При полудуплексном режиме работы получение встречного потока данных считается коллизией, а для полнодуплексного режима работы — нормальной ситуацией.

rss