Лабораторна робота № 3. Обгрунтування розміру мережі ethernet
1 Мета роботи
Вибрати та оцінити конфігурацію Ethernet використовувати дві основні моделі.
2 Методичні вказівки з організації самостійної роботи студентів
При описі тимчасових діаграм мереж типу Ethernet і Fast Ethernet, а також визначення граничних розмірів мережі широко використовуються наступні терміни.
1. IPG (interpacket gap, міжпакетна щілина) - мінімальний проміжок часу між передаваними пакетами (9,6 мкс для Ethernet; 0,96 мкс для Fast Ethernet). Інша назва -межкадровый інтервал.
2. ВТ (Bit Time, час бита) - інтервал часу для передачі одного біта (100 нс для Ethernet; 10 нс для Fast Ethernet).
3. PDV (Path Delay Value, значення затримки в дорозі) - час проходження сигналу між двома вузлами мережі (круг, тобто подвоєне). Враховує сумарну затримку в кабельній системі, мережевих адаптерах, повторителях і інших мережевих пристроях.
4. Collision window (вікно колізій) - максимальне значення PDV для даного сегменту.
5. Collision domain (область колізій, зона конфлікту) - частина мережі, на яку розповсюджується ситуація колізії, конфлікту.
Slot time (час каналу) - максимально допустиме вікно колізій для сегменту (512 bt).
7. Minimum frame size - мінімальний розмір кадру (512 битий, або 64 байти).
8. Maximum frame size — максимальний розмір кадру (1518 байт).
9. Maximum network diameter (максимальний діаметр мережі) -максимальная допустима довжина сегменту, при якій його вікно колізій не перевищує slot time, часу каналу.
10. Truncated binary exponential back off (усічене двійкове експоненціальне відстрочення) - затримка перед наступною спробою передачі пакету після колізії (допускається максимум 16 спроб). Обчислюється вона по наступній формулі:
RAND(0, 2min(N,10))*512 bt,
де N - значення лічильника спроб, RAND(а, b) - генератор випадкових нормально розподілених цілих чисел в діапазоні а...b, включаючи крайні значення. Діськрет зміни даного параметра рівний мінімальній довжині пакету або максимально допустимій подвійній затримці розповсюдження сигналу в мережі (PDV).
При виборі конфігурації мережі Ethernet, що складається з сегментів різних типів, виникає багато питань, зв'язаних, перш за все з максимально допустимим розміром (діаметром) мережі і максимально можливим числом різних елементів. Мережа буде працездатною тільки в тому випадку, якщо максимальна затримка розповсюдження сигналу в ній не перевищить граничної величини. Ця величина визначається вибраним методом управління обміном CSMA/CD (Carrier-Sense Multiple Access with Collision Detection - множинний доступ з контролем тієї, що несе і виявленням колізій), заснованим на виявленні і дозволі колізій.
Перш за все, нагадаємо, що для отримання складних конфігурацій Ethernet з окремих сегментів застосовуються концентратори двох основних типів:
1) репітерні концентратори, які є набором репітерів і ніяк логічно не розділяють сегменти, підключені до них;
2) комутуючі (switching) концентратори або комутатори, які передають інформацію між сегментами, але не передають конфлікти з сегменту на сегмент.
У разі складніших комутуючих концентраторів конфлікти в окремих сегментах вирішуються на місці, в самих сегментах, і не розповсюджуються по мережі, як у разі простіших репитерных концентраторів. Це має принципове значення для вибору топології мережі Ethernet, оскільки використовуваний в ній метод доступу CSMA/ CD припускає наявність конфліктів і їх дозвіл, причому загальна довжина мережі якраз і визначається розміром зони конфлікту, області колізії (collision domain). Таким чином, застосування репитерного концентратора не розділяє зону конфлікту, тоді як кожен комутуючий концентратор ділить зону конфлікту на частини. У разі комутатора оцінювати працездатність треба для кожної частини мережі окремо, а у разі репитерных концентраторів треба оцінювати працездатність всієї мережі в цілому.
Допустимі розміри мережі Ethernet визначаються рядом чинників:
1. Обмеження на довжину кабельного сегменту, пов'язані із загасанням і спотворенням форми сигналу: 10Base5 — 500 м і правило «5-4-3», 10Base2 — 185 (300) м і правило «5-4-3», 10BaseT/100BaseTX/100BaseT4 - 100 м.
2. Обмеження на кількість вузлів в домені колізій: не більше 1024.
3. Обмеження на кількість повторителей між будь-якою парою вузлів: Ethernet — 4, Fast Ethernet — 1 або 2, Gigabit Ethernet — 1.
4. Обмеження на розмір домена колізій, зв'язані з часом розповсюдження сигналу між кінцевими вузлами мережі: час подвійного обороту для Ethernet і Fast Ethernet не повинен перевищувати 512 bt, для Gigabit Ethernet - 2048 bt.
Для мереж на мідних кабелях, як правило, досить виконати перші три умови. Оптоволокно, особливо одномодове, дозволяє значно збільшувати довжину кабельного сегменту, але при цьому обмежуючим чинником виступатиме затримка розповсюдження сигналу. Затримкам 25,6 мкс (для 10 Мбіт/с) і 2,6 мкс (для 100 Мбіт/с) відповідають довжині скляного волокна близько 5000 і 500 м.
Затримки розповсюдження особливо помітні для технологій Fast Ethernet і Gigabit Ethernet, причому тут помітну роль грають і затримки в активному устаткуванні (мережевих адаптерах і повторителях). Для перевірки на допустимість розміру домена колізій складають топологічний план мережі, на якому відзначають типи активного устаткування, типи і довжину кабельних сегментів. Далі визначають час подвійного обороту для пари вузлів, максимально віддалених один від одного (у сенсі часу розповсюдження сигналу). Якщо цей час вписується у встановлені обмеження, мережа буде працездатною. Якщо час подвійного обороту опиниться більше допустимого, доведеться змінювати топологію (якщо можливо) або розбивати мережу на логічні сегменти (домени колізій) меншого розміру і зв'язувати ці сегменти між собою мостами, комутаторами або маршрутизаторами. Ряд фірм пропонує долати ці обмеження за допомогою спеціальних інтерфейсних модулів (наприклад, Distance Extender фірми 3Com) — вони по суті своїй теж є мостами.
При виборі і оцінці конфігурації Ethernet стандартом пропонується використовувати дві основні моделі. Зупинимося коротко на їх особливостях.
Правила моделі 1
Перша модель формулює набір простих правил, які необхідно дотримувати проектувальникові мережі при з'єднанні окремих комп'ютерів і сегментів.
1. Репітер або концентратор, підключений до сегменту, знижує на одиницю максимальне число абонентів, що підключаються до сегменту.
2. Повний шлях між двома будь-якими абонентами повинен включати не більше п'яти сегментів, чотирьох концентраторів (репітерів) і двох трансиверів (MAU) для сегментів 10 BASE-2/5/Т.
3.Якщо шлях між абонентами складається з п'яти сегментів і чотирьох концентраторів (репітерів), то кількість сегментів, до яких підключені комп'ютери, не повинно перевищувати три, а решта сегментів повинна просто зв'язувати між собою концентратори (репітери). Це так зване «правило 5-4-3».
4. Якщо шлях між абонентами складається з чотирьох сегментів і трьох концентраторів (репітерів), то повинні виконуватися наступні умови:
- максимальна довжина оптоволоконного кабелю сегменту 10BASE-FL, що сполучає між
собою концентратори (репітери), не повинна перевищувати 1000 м;
- максимальна довжина оптоволоконного кабелю сегменту 10BASE-FL, що сполучає
концентратори (репітери) з комп'ютерами, не повинна перевищувати 400 м;
- до всіх сегментів можуть підключатися комп'ютери.
|
Рисунок 1 - Приклад структурної схеми КМ максимальної конфігурації (відповідно до першої моделі)
При виконанні цих правил можна бути упевненим, що мережа буде працездатною. Ніяких додаткових розрахунків в даному випадку не потрібні. Вважається, що дотримання даних правил гарантує допустиму величину затримки сигналу в мережі.
На рис.1 показаний приклад максимальної конфігурації, що задовольняє цим правилам. Тут максимально можливий шлях (діаметр мережі) проходить між двома нижними по малюнку (Пк5, Пк6) абонентами: він включає п'ять сегментів (10BASE2, 10BASE5, 10BASE-FL, 10BASE-FL і 10BASE-T), чотири концентратори (репітера) і два трансивери MAU.
Розрахунок по моделі 2
Друга модель, вживана для оцінки конфігурації Ethernet, заснована на точному розрахунку тимчасових характеристик вибраної конфігурації мережі. Вона іноді дозволяє вийти за межі жорстких обмежень моделі 1. Застосування моделі 2 абсолютно необхідно у тому випадку, коли розмір проектованої мережі близький до максимально допустимому.
У моделі 2 використовуються дві системи розрахунків:
- перша система припускає обчислення подвійного (круга) часу проходження сигналу по мережі і порівняння його з максимально допустимою величиною (512 bt);
- друга система перевіряє допустимість скорочення (на 49 bt) величини отримуваного міжкадрового тимчасового інтервалу, міжпакетній щілині (IPG – Inter Packet Gap) в мережі.
При цьому обчислення в обох системах розрахунків ведуться для якнайгіршого випадку, для шляху максимальної довжини, тобто для такого шляху передаваного по мережі пакету, який вимагає для свого проходження максимального часу. При першій системі розрахунків виділяються три типи сегментів:
- початковий сегмент - це сегмент, відповідний початку шляху максимальної довжини;
- кінцевий сегмент - це сегмент, розташований в кінці шляху максимальної довжини;
- проміжний сегмент - це сегмент, що входить в шлях максимальної довжини, але що немає ні початковим, ні кінцевим.
Проміжних сегментів у вибраному шляху може бути декілька, а початковий і кінцевий сегменти при різних розрахунках можуть мінятися місцями один з одним. Виділення трьох типів сегментів дозволяє автоматично враховувати затримки сигналу на всіх концентраторах, що входять в шлях максимальної довжини, а також в приемопередающих вузлах адаптерів. Для розрахунків використовуються величини затримок, представлені в таблиці 1.
Таблиця 1 - Величини затримок для розрахунку подвійного часу проходження сигналу (затримки дані в бітових інтервалах)
Тип сегменту |
Макс. довжина (м) |
Початковий сегмент (bt) |
Проміжний сегмент (bt) |
Кінцевий сегмент (bt) |
Затримка на метр довжини (bt) |
|||
0 |
tm |
t0 |
tm |
t0 |
tm |
t1 |
||
10Base-5 |
500 |
1,8 |
55,0 |
46,5 |
89,8 |
169,5 |
212,8 |
0,087 |
10Base-2 |
185 |
1,8 |
30,8 |
46,5 |
65,5 |
169,5 |
188,5 |
0,103 |
10Base-T |
100 |
5,3 |
26,6 |
42,0 |
53,3 |
165,0 |
176,3 |
0,113 |
10Base-FL |
2000 |
2,3 |
212,3 |
33,5 |
233,5 |
156,5 |
356,5 |
0,100 |
FOIRL |
1000 |
,8 |
107,8 |
29,0 |
129,0 |
152,0 |
252,0 |
0,100 |
AUI |
50 |
0 |
5,1 |
0 |
5,1 |
0 |
5,1 |
0,103 |
Методика розрахунку зводиться до наступного.
- У мережі виділяється шлях максимальної довжини. Всі подальші розрахунки ведуться для нього. Якщо цей шлях не очевидний, то розрахунки ведуться для всіх можливих шляхів, і на підставі цих розрахунків вибирається шлях максимальної довжини.
- Якщо довжина сегменту, що входить у вибраний шлях, не максимальна, то розраховується подвійний (круг) час (ts) проходження в кожному сегменті виділеного шляху по формулі: ts = L*t1 + t0, де: L - довжина сегменту в метрах; t1 – затримка сигналу на метр довжини кабелю; t0 – затримка в устаткуванні (при цьому треба враховувати тип сегменту: початковий, проміжний або кінцевий).
- Якщо довжина сегменту рівна максимально допустимою, то з таблиці для нього береться величина максимальної затримки tm.
- Сумарна величина затримок всіх сегментів виділеного шляху не повинна перевищувати граничної величини 512 бітових інтервалів.
- Виконуються ті ж дії для зворотного напряму вибраного шляху (тобто кінцевий сегмент вважається початковим, і навпаки). Із-за різних затримок передавальних і приймаючих вузлів концентраторів величини затримок у різних напрямах можуть відрізнятися (правда, не дуже сильно).
Якщо затримки в обох випадках не перевищують величини 512 бітових інтервалів, то мережа вважається працездатною.