Стандарты 10 Gigabit по оптоволокну

Стандарт IEEE 802.3ae (10-Gigabit Ethernet по волоконно-оптическому кабелю) определяет три различных семейства физических уровней: 10GBASE-X, 10GBASE-R и 10GBASE-W.

Они отличаются методами кодирования, используемыми при передаче трафика между сетевыми устройствами (8 b/10 b или 64 b/66 b), и наличием или отсутствием подуровней интерфейса WAN для согласования с сетями SONET OC-192. В каждом семействе имеются различные реализации PMD (Physical Medium Dependent -- зависимый от среды передачи данных подуровень), отвечающие за передачу сигналов в данной физической среде. 10GBASE-X использует схему кодирования сигнала 8 b/10. Подуровни интерфейса WAN отсутствуют. Текущий стандарт IEEE 802.3ae предусматривает одну спецификацию PMD, известную как 10GBASE-LX4. 10GBASE-R базируется на схеме кодирования 64 b /66 b. Для этого физического уровня имеется три типа PMD: 10GBASE-SR, 10GBASE-LR и 10GBASE-ER.

10GBASE-W определяет инкапсуляцию 64 b/66 b-кодированных данных во фрейм SONET OC-192. Здесь специфицируются следующие PMD: 10GBASE-SW, 10GBASE-LW и 10GBASE-EW. 10GBASE-R и 10GBASE-W имеют подуровень интерфейса WAN.

Максимальная протяженность оптической линии в зависимости от типа кабеля для 10GBASE-SX / SR / SW (длина волны 850 нм) показана в таблице:

Тип волокна	Широкополосность (MHz•km)	Дистанция (м)
62.5 мкм ММ	160	26
62.5 мкм ММ	200	33
50 мкм ММ	400	66
50 мкм ММ	500	82
50 мкм ММ	2000	300

Максимальная протяженность оптической линии в зависимости от типа кабеля для 10GBASE-LX / LR / LW (длина волны 1300 нм) показана в таблице:

Тип волокна	Широкополосность (MHz•km)	Дистанция (м)
62.5 мкм ММ	500	300
50 мкм ММ	400	240
50 мкм ММ	500	300
10 мкм ОМ	-	10000

Максимальная протяженность оптической линии в зависимости от типа кабеля для 10GBASE-EX / ER / EW (длина волны 1550 нм) показана в таблице:

Тип волокна	Широкополосность (MHz•km)	Дистанция (м)
10 мкм ОМ	-	40000

Модуль 8: Коммутация в сетях Ethernet. Режимы работы коммутатора. Протокол Spanning-Tree. Collision-домены и Broadcast-домены. Сегментация на втором уровне. Различные трактовки термина "сегмент".

Что такое коммутация лвс?

Коммутация в локальных сетях (ЛВС) является одной из основ происходящего сегодня перехода к использованию технологий следующего поколения. Традиционные ЛВС рассчитаны на совместное использование ресурсов пользователями небольшого числа станций (обычно до 50). К числу разделяемых ресурсов относятся файлы и периферийные устройства (принтеры, модемы и т.п.). Поскольку картина трафика в таких сетях имеет ярко выраженный взрывной характер, использование разделяемой между всеми пользователями полосы может приводить к существенному замедлению работы. Стандарты Ethernet и token ring регулируют доступ сетевых устройств к разделяемой среде передачи. Когда одно из устройств передает данные в сеть, все остальные должны ждать окончания передачи, не делая попыток передать в сеть свои данные.

Такая схема разделения доступа к среде очень эффективна в небольших сетях, используемых для совместного использования файлов или принтеров. Сегодня размер и сложность локальных сетей значительно возрасли, а число устройств измеряется тысячами. В сочетании с ростом потребностей пользователей недетерминистический характер традиционных сеетвых архитектур (таких как Ethernet и token ring) начал ограничивать возможности сетевых приложений. Коммутация ЛВС является популярной технологией, способной продлить жизнь существующих ЛВС на базе Ethernet и token ring. Преимущества коммутации заключаются в сегментировании сетей - делении их на более мелкие фрагменты со значительным снижением числа станций в каждом сегменте. Изоляция трафика в небольшом сегменте приводит к многократному расширению доступной каждому пользователю полосы, а поддержка виртуальных ЛВС (VLAN) значительно повышает гибкость системы.

Коммутация обеспечивает сегментирование ЛВС с разделяемой средой. Администраторы сетей должны представлять себе технологические аспекты коммутации ЛВС и стоимость перехода к использованию коммутаторов в существующих сетях. Технологические вопросы включают понимание архитектуры коммутаторов ЛВС различий между коммутацией на MAC-уровне и маршрутизацией на сетевом, а также разницы между выполнением операций на программном и аппаратном уровне. Экономические аспекты включают сравнение соотношения производительность/цена для маршрутизаторов и коммутаторов, оценку эффективности вложения средств, а также расходов на организацию и поддержку сетей (включая управление сетью).

Коммутатор (switch, переключатель) - устройство, используемое для установления соединений в небольших сетях. Коммутаторы Ethernet. Обеспечивают сегментам и настольным системам дуплексную связь и выделенную полосу пропускания. Коммутация (switching). Процесс принятия входящего фрейма на одном интерфейсе и отправки его через другой.

Режимы работы коммутатора:

• Отправка с промежуточным хранением (store-and-forward). Пакет должен быть получен полностью, прежде чем начнется отправка. При этом считываются адреса пункта назначения и/или источника и перед отправкой используются фильтры. При получении фрейма проявляется задержка; эта задержка увеличивается для больших фреймов, поскольку для того, чтобы прочитать весь фрейм, требуется больше времени. Вероятность обнаружения ошибок довольно высока, поскольку во время ожидания поступления всего фрейма имеется возможность поиска ошибок.

• Сквозной метод (cut-through). Коммутатор начинает считывать адрес пункта назначения и отправлять фрейм еще до полного его получения. Этот метод уменьшает задержку передачи, но имеет небольшую вероятность определения ошибок. Сквозная коммутация имеет две формы.

• Коммутация с быстрой отправкой (fast-forward switching). Коммутация с быстрой отправкой обеспечивает наименьшую задержку, поскольку отправка пакета начинается сразу после получения адреса пункта назначения. Поскольку при таком виде коммутации отправка начинается еще до полного получения пакета, возможны ситуации, когда пакет передается с ошибками. Хотя такое происходит нечасто, а сетевой адаптер пункта назначения обычно отбрасывает пакеты с ошибками при получении, чрезмерный поток данных может оказаться в некоторых ситуациях неприемлемым. Для уменьшения числа пакетов, отправленных с ошибками, рекомендуется использовать метод коммутации без фрагментации. В режиме быстрой отправки задержка измеряется периодом времени от получения первого бита до его отправки, т.е. по принципу "первым пришел — первым ушел" (first in, first out, FIFO).

• Коммутация без фрагментации (fragment-free switching). При коммутации без фрагментации отфильтровываются пакеты, попавшие в коллизию, которые составляют большинство ошибок при передаче, и только после этого начинается передача. В правильно работающей сети фрагменты, попавшие в коллизию должны иметь размер менее 64 байт. Пакеты размером более 64 байт являются действительными и обычно принимаются без ошибок. При коммутации без фрагментации пакет должен быть проверен на повреждение в результате коллизии до того, как он будет отправлен. При таком способе задержка также определяется принципом FIFO. Задержка обоих способов коммутации определяется тем, когда коммутатор начинает отправку фрейма. Чем быстрее режим коммутации, тем меньше задержка коммутатора. Для ускорения отправки фрейма приходится сокращать время, отводимое на проверку ошибок. При этом качество проверки снижается, что может привести к большему количеству повторных передач.

Протокол распределенного связующего дерева (Spanning-Tree Protocol) — мостовой протокол,

который использует алгоритм охватывающего дерева, позволяющий обучающемуся коммутатору динамически обходить петли в топологии коммутируемой сети путем порождения охватывающего дерева. Обмениваясь BPDU-сообщениями с другими мостами, коммутаторы обнаруживают петли и затем удаляют их, отключая определенные интерфейсы. Если основной канал отказывает, тогда активизируется резервная связь. Этим термином называют как стандарт протокола охватывающего дерева IEEE 802.1, так и более ранний протокол охватывающего дерева компании Digital Equipment Corporation, на котором он основан. Версия IEEE поддерживает домены коммутаторов и позволяет коммутатору создавать свободную от петель топологию в расширенной локальной сети. Обычно версия IEEE предпочтительнее версии компании Digital.

Домен коллизии (Collision Domain) — в сетях Ethernet область сети, внутри которой распространяются претерпевшие столкновение кадры. Повторители и концентраторы пропускают конфликтующие пакеты; коммутаторы локальных сетей, мосты и маршрутизаторы — нет.

Домен широковещания (Broadcast Domain) — множество всех устройств, которые будут принимать широковещательные кадры, источником которых является устройство, принадлежащее этому множеству. Обычно домены широковещания ограничиваются маршрутизаторами (или в коммутируемых сетях — виртуальными локальными сетями), поскольку маршрутизаторы не перенаправляют широковещательные кадры.

Сегментация на втором уровне

Уровень канала передачи данных связан с сетевым уровнем. Он инкапсулирует информацию сетевого уровня во фрейм - блок информации, источником и пунктом назначения которого являются объекты канального уровня (уровень 2 PDU). Заголовок фрейма содержит информацию, необходимую для полного выполнения функций уровня канала передачи данных (например, физические адреса). Уровень 2 связан с сетевым уровнем посредством инкапсуляции информации сетевого уровня во фрейм.

Сегмент:

1. Участок сети, ограниченный с обеих сторон мостами, маршрутизаторами или коммутаторами.

2. В локальной сети с шинной топологией — безразрывная электрическая связь, которая часто с помощью повторителей соединяется с другими такими сегментами.

3. В спецификации протокола TCP — это один блок информации транспортного уровня. Для описания логических групп информации наразличных уровнях эталонной модели используются также термины дейтаграмма, кадр, сообщение и пакет.

Модуль 9: Стек протоколов TCP/IP. Уровень приложений. Транспортный уровень. Уровень Internet. Уровень Network Access. Простейшая архитектура глобальной сети. IP-адресация. Классы IP адресов. Зарезервированные и частные адреса. Сегментация на третьем уровне OSI. IPv4 и IPv6 схемы адресации. Статическое назначение IP-адресов. Динамическое присвоение адресов с использованием протоколов RARP, BOOTP, DHCP. Протокол разрешения адресов ARP.

Стек протоколов TCP/IP

С амый нижний (уровень IV) соответствует физическому и канальному уровням модели OSI. Этот уровень в протоколах TCP/IP не регламентируется, но поддерживает все популярные стандарты физического и канального уровня: для локальных сетей это Ethernet, Token Ring, FDDI, Fast Ethernet, 100VG-AnyLAN, для глобальных сетей - протоколы соединений "точка-точка" SLIP и PPP, протоколы территориальных сетей с коммутацией пакетов X.25, frame relay. Разработана также специальная спецификация, определяющая использование технологии ATM в качестве транспорта канального уровня. Обычно при появлении новой технологии локальных или глобальных сетей она быстро включается в стек TCP/IP за счет разработки соответствующего RFC, определяющего метод инкапсуляции пакетов IP в ее кадры.

Следующий уровень (уровень III) - это уровень межсетевого взаимодействия, который занимается передачей пакетов с использованием различных транспортных технологий локальных сетей, территориальных сетей, линий специальной связи и т. п.

В качестве основного протокола сетевого уровня (в терминах модели OSI) в стеке используется протокол IP, который изначально проектировался как протокол передачи пакетов в составных сетях, состоящих из большого количества локальных сетей, объединенных как локальными, так и глобальными связями. Поэтому протокол IP хорошо работает в сетях со сложной топологией, рационально используя наличие в них подсистем и экономно расходуя пропускную способность низкоскоростных линий связи. Протокол IP является датаграммным протоколом, то есть он не гарантирует доставку пакетов до узла назначения, но старается это сделать.

К уровню межсетевого взаимодействия относятся и все протоколы, связанные с составлением и модификацией таблиц маршрутизации, такие как протоколы сбора маршрутной информации RIP (Routing Internet Protocol) и OSPF (Open Shortest Path First), а также протокол межсетевых управляющих сообщений ICMP (Internet Control Message Protocol). Последний протокол предназначен для обмена информацией об ошибках между маршрутизаторами сети и узлом - источником пакета. С помощью специальных пакетов ICMP сообщается о невозможности доставки пакета, о превышении времени жизни или продолжительности сборки пакета из фрагментов, об аномальных величинах параметров, об изменении маршрута пересылки и типа обслуживания, о состоянии системы и т.п.

Следующий уровень (уровень II) называется основным. На этом уровне функционируют протокол управления передачей TCP (Transmission Control Protocol) и протокол дейтаграмм пользователя UDP (User Datagram Protocol). Протокол TCP обеспечивает надежную передачу сообщений между удаленными прикладными процессами за счет образования виртуальных соединений. Протокол UDP обеспечивает передачу прикладных пакетов дейтаграммным способом, как и IP, и выполняет только функции связующего звена между сетевым протоколом и многочисленными прикладными процессами.

Функции транспортного уровня

• управляет потоком, что обеспечивается механизмом скользящих окон

• гарантирует надежность благодаря наличию порядковых номеров сегментов и подтверждений

На транспортном уровне существуют два протокола:

• TCP — надежный протокол с установлением соединения. Он отвечает за разбиение сообщений на сегменты, их сборку на станции в пункте назначения, повторную отсылку всего, что оказалось не полученным, и сборку сообщений из сегментов. Протокол TCP обеспечивает виртуальный канал между приложениями конечных пользователей.

• Протокол дейтаграмм пользователя (User Datagram Protocol, UDP) — "ненадежный", не ориентированный на установление соединения. Хотя протокол UDP и отвечает за передачу сообщений, на этом уровне отсутствует ПО для проверки доставки сегментов.

Верхний уровень (уровень I) называется прикладным. За долгие годы использования в сетях различных стран и организаций стек TCP/IP накопил большое количество протоколов и сервисов прикладного уровня. К ним относятся такие широко используемые протоколы, как протокол копирования файлов FTP, протокол эмуляции терминала telnet, почтовый протокол SMTP, используемый в электронной почте сети Internet, гипертекстовые сервисы доступа к удаленной информации, такие как WWW и многие другие. Остановимся несколько подробнее на некоторых из них.

Формат сегмента протокола TCP

· Порт источника — номер вызывающего порта.

· Порт назначения — номер вызываемого порта.

· Порядковый номер — номер, используемый для расположения поступающих данных в

правильной последовательности.

· Номер подтверждения — следующий ожидаемый ТСР-октет.

· HLEN — количество 32-разрядных слов в заголовке.

· Зарезервированое (поле) — все биты установлены в значение 0.

· Биты кода — служебные функции (например, установка и завершение сеанса).

· Окно — количество октетов, с которым отправитель готов согласиться.

· Контрольная сумма — расчетная контрольная сумма заголовка и полей данных.

· Указатель срочных данных — указывает конец срочных данных.

· Опция — в настоящее время определена одна: максимальный размер ТСР-сегмента.

· Данные — данные протокола более высокого уровня.

Н омера портов

Для передачи информации на более высокие уровни протоколы TCP и UDP используют номер порта, или сокета. Номера портов используются для отслеживания различных разговоров, одновременно ведущихся в сети.

Конечная система использует номер порта для выбора соответствующего приложения.

IP-адресация

I P-адресация базируется на протоколе IP. IP-адресация существует на сетевом уровне модели OSI. IP-адреса имеют иерархическую структуру.

Каждая сеть имеет свой адрес, который относится ко всем хост-машинам, принадлежащим данной сети. Внутри сети каждая хост-машина имеет свой уникальный адрес.

IP-адрес устройства состоит из адреса сети, к которой принадлежит устройство, и адреса устройства внутри этой сети. Если устройство переносится из одной сети в другую, его IP-адрес изменяется.

IP-адрес представляет собой 32-разрядное двоичное число, записанное в виде четырех октетов, т.е. четырех групп, каждая из которых состоит из восьми двоичных знаков (0 и 1). Для удобства оно представлением в десятичной форме с разделением точками.

Классы IP-адресов

IP-адрес состоит из двух частей: номера сети и номера хоста. Сетевой номер определяет сеть, к которой подключено устройство. Номер хоста определяет устройство в этой сети.

Американский реестр Internet-номеров (ARIN) определяет три класса IP-адресов. Класс А составляют IP-адреса, зарезервированные для правительственных учреждений, класс В — IP-адреса для компаний среднего уровня и класс С — для всех остальных организаций.

На самом деле существует 5 классов адресов, но коммерчески используются только А, В и С. Классы E и D зарезервированы.

Класс A : первый октет 1-126 (00000001-01111110); Класс B : 128-191 (10000000-10111111)

Класс C : 192-223 (11000000-11011111); Класс D : 224-239 (11100000-11101111)

Класс E : 240-255 (11110000-11111111)

Максимально возможное значение каждого октета IP-адреса равно 255. На практике применяются только числа до 223, т.к. часть номеров резервируется для экспериментальных целей и потребностей групповой адресации.

Резервируются также все IP-адреса, у которых в части адреса, обозначающей адрес хост-машины, содержатся только нули или единицы.

Любой IP-адрес, который заканчивается всеми двоичными нулями, резервируется для адреса сети (т.е. по такому адресу происходит обращение ко всем устройствам сети). Например, адрес сети класса В – 176.10.0.0.

Процесс, в ходе которого источник отправляет данные всем устройствам в сети, называется широковещанием. Любой IP-адрес, который заканчивается всеми двоичными единицами, резервируется для адреса широковещания. Этот адрес распознается всеми устройствами сети и каждое устройство признает его своим. Например, для сети 176.10.0.0 адресом широковещания может быть 176.10.255.255.

Для обеспечения сетевым администраторам максимальной гибкости настройки сети часто разделяют на подсети. Подсеть – небольшая часть крупной сети.

Сегментация на третьем уровне OSI

3

Сетевой (Network)

отвечает за адресацию и маршрутизацию при межсетевом обмене. На данном уровне существуют логические адреса.

Сетевой уровень связан с транспортным уровнем, и транспортный уровень предоставляет данные подсистеме межсетевого обмена. Задачей сетевого уровня является перемещение данных в объединенной сети. Эта задача выполняется при помощи инкапсуляции данных и добавления к пакету созданного заголовка (уровень 3 PDU). Заголовок содержит информацию, необходимую для полной передачи данных, такую как логические адреса источника и приемника.

А дресация подсетей

Пример: сеть 172.16.0.0 разделена на 4 подсети: 172.16.1.0, 172.16.2.0, 172.16.3.0 и 172.16.4.0.

Адрес подсети включает номера сети, подсети и хост-машины внутри подсети.

Чтобы создать адрес подсети, сетевой администратор "заимствует" биты из поля хост-машин и переопределяет их в качестве поля подсетей. Количество "заимствованных" битов можно увеличивать до тех пор, пока не останется 2 бита.

Н едостатки протокола IPv4 проявляются, прежде всего, в исчерпании адресного пространства, перегрузке системы маршрутизации, недостаточной поддержке безопасности и качества обслуживания. Также в IPv4 отсутствует достаточная поддержка мобильных сетей.

Сейчас основная технология Интернета, протокол IPv4, в своем развитии подошла к тому этапу, когда требуется ее качественное изменение. С помощью сдерживающих мер и ограниченных технологических решений (Classless interdomain routing) проблему с исчерпанием адресного пространства и перегрузкой системы маршрутизации Интернета удалось отсрочить, однако необходимость в переходе на новую версию IP протокола становится все более реальной.

IPv6 (Internet Protocol version 6) - протокол IPv6 в этой версии (RFC 1883) снимается ряд ограничений, в частности, длина IP-адреса увеличивается с 32 до 128 битов (т.е. стало доступно 340 триллионов триллионов адресов), что решает проблему исчерпания адресного пространства Internet, кроме того, для повышения производительности маршрутизаторов вводятся расширенные заголовки пакетов, улучшена защита информации (в частности, встроен алгоритм шифрования с 64-разрядным ключом), упрощен процесс конфигурирования устройств (введена функция автоконфигурирования). Есть возможность назначать пакетам уровни приоритета. IPv6 совместим снизу вверх с IPv4. Считается, что широкое распространение этот протокол получит к 2005 году.

Общение сетей в данной ситуации можно организовать тремя основными способами:

• туннелирование – процесс инкапсуляции IPv6-пакета в той части тела IPv4-пакета, в которой производится передача полезных данных. В зависимости от того, кто инкапсулирует и декапсулирует пакеты, можно выделить три вида туннелирования: «маршрутизатор-маршрутизатор», «хост-маршрутизатор» и «хост-хост». Преимущество этого метода состоит в простоте реализации эффективной инфраструктуры для тестирования в любой частной сети, а основной недостаток – в резко возрастающей нагрузке на сеть вследствие необходимости передачи дополнительных заголовков;

• трансляция протоколов – процесс, который осуществляется в основном тремя типами механизмов: преобразование заголовков из одной версии протокола в другую протокол-шлюзом (protocol gateway device), использование транспортного ретранслятора и преобразование протоколов на прикладном уровне через прокси-сервер;

• двойной стек протоколов – процесс, когда в зависимости от версии протокола пакета применяется либо стек протокола IPv4, либо IPv6 на каждом IP узле.

Планирование подсетей

Адрес сети класса С – 201.222.5.0. Нужно организовать 20 подсетей, по 5 хостов в каждой. Можно разделить последний октет на части подсети и хостов и определить, какой вид будет иметь маска подсети. Размер поля подсети выбирается исходя из требуемого количества подсетей. В этом примере выбор 29-битовой маски дает возможность иметь 221 подсетей. Адресами подсетей являются все адреса, кратные 8 (например, 201.222.5.16, 201.222.5.32 и 201.222.5.48).

Оставшиеся биты в последнем октете используются для поля хост-машин. Для данного примера требуемое количество хост-машин равно 5, поэтому поле хост-машин должно содержать минимум 3 бита. Номера хост-машин могут быть 1, 2, 3 и т д. Окончательный вид адресов формируется путем сложения начального адреса кабеля сети/подсети и номера хост- машины. Таким образом, хост-машины подсети 201.222.5.16 будут адресоваться как 201.222.5.17, 201.222.5.18, 201.222.5.19 и т.д. Номер хоста 0 зарезервирован в качестве адреса кабеля, а значение номера хоста, состоящее из одних единиц, резервируется для широковещания.