Методика розрахунку конфігурації мережі Ethernet

Дотримання численних обмежень, установлених для різних стандартів фізичного рівня мереж Ethernet, гарантує коректну роботу мережі .

Обмеження параметрів мережі, які вносить кожен варіант фізичного середовища технології Ethernet, наведені у таблиці 4.2.

Найчастіше доводиться перевіряти обмеження, пов’язані з довжиною окремого сегменту кабелю, а також кількістю повторювачів і загальною довжиною мережі. Правила «5-4-3» для коаксіальних мереж і «4-х хабів» для мереж на основі витої пари та оптоволокна не тільки дають гарантії працездатності мережі, але й великий «запас міцності» мережі. Наприклад, якщо порахувати час подвійного проходження сигналу в мережі, що складається з 4-х повторювачів 10Base-5 і 5-ти сегментів з максимальною довжиною 500 м, то виявиться, що він становить 537 бітових інтервалів. Час передачі кадру мінімальної довжини становить разом із преамбулою 72 байти, що дорівнює 575 бітовим інтервалам. Звідси видно, що стандарт Ethernet залишив 38 бітових інтервалів як запас для надійності. Проте комітет 802.3 говорить, що і 4 додаткові бітові інтервали створюють достатній запас надійності.

Комітет IEEE 802.3 наводить вихідні дані про затримки, внесені повторювачами і різними середовищами передачі даних для розрахунку максимальної кількості повторювачів і максимальної загальної довжини мережі. Особливо такі розрахунки корисні для мереж, що складаються зі змішаних кабельних систем, наприклад, коаксіала й оптоволокна, на які правила «5-4-3» і «4-х хабів» не розраховані. При цьому максимальна довжина кожного окремого фізичного сегмента повинна чітко відповідати стандарту, тобто 500 м для "товстого" коаксіала, 100 м для витої пари і т.д. При топології ієрархічна зірка оптоволоконні кабелі рекомендується використовувати для побудови верхніх проміжних сегментів.

Щоб мережа Ethernet, яка складається із сегментів різної фізичної природи, працювала коректно, необхідне виконання чотирьох основних умов:

1. Число станцій у мережі не більше 1024;

2. Максимальна довжина кожного фізичного сегмента не більша величини, визначеної у відповідному стандарті фізичного рівня;

3. Час подвійного обертання сигналу (Path Delay Value, PDV) між двома найвіддаленішими одна від одної станціями мережі не більше 575 бітових інтервалів;

4. Скорочення міжкадрового інтервалу IPG (Path Variability Value, PVV) при проходженні послідовності кадрів через усі повторювачі не повинне перевищувати 49 бітових інтервалів.

Так як при відправленні кадрів кінцеві вузли забезпечують початкову міжкадрову відстань 96 бітових інтервалів, то після проходження повторювача вона повинна бути не меншою, ніж 96-49 = 47 бітових інтервалів. Дотримання цих вимог забезпечує коректність роботи мережі навіть у випадках, коли порушуються прості правила конфігурації, що визначають максимальну кількість повторювачів і загальну довжину мережі в 2500 м.

Розрахунок PDV. Для спрощення розрахунків зазвичай використовують довідникові дані IEEE, які містять значення затримок поширення сигналів у повторювачах, приймачах і різних фізичних середовищах. У табл.3. наведені дані, необхідні для розрахунку значення PDV для усіх фізичних стандартів мереж Ethernet. Бітовий інтервал позначений як bt.

Комітет 802.3 намагався максимально спростити виконання розрахунків, тому дані, наведені в таблиці 6.4.2.2, включають відразу кілька етапів проходження сигналу. Наприклад, затримки, внесені повторювачем, складаються з затримки вхідного трансивера, затримки блоку повторення і затримки вихідного трансивера. Проте в таблиці всі ці затримки представлені однією величиною, названою базою сегменту.

Таблиця 4.2 – Дані для розрахунку значень PDV

Тип сегменту	База лівого сегменту, bt	База проміж-ного сегменту, bt	База правого сегменту , bt	Затримка середовища на 1м, bt/м	Максимальна довжина сегменту,м
10Base-5 10Base-2 10Base-T 10Base-FB 10Base-FL FOIRL AUI(>2 м)	11,8 11,8 15,3 - 12,3 7,8 0	46,5 46,5 42,0 24,0 33,5 29,0 0	169,5 169,5 165,0 - 156,5 152,0 0	0,0866 0,1026 0,113 0,1 0,1 0,1 0,1026	500 185 100 2000 2000 1000 2+48

Щоб не потрібно було два рази складати затримки, внесені кабелем, у табл. 6.4.2.2 даються подвоєні величини затримок для кожного типу кабелю. У таблиці використовуються також такі поняття, як лівий сегмент, правий сегмент і проміжний сегмент.

Пояснимо ці терміни на прикладі мережі, наведеної на рис. 4.4.

Лівим сегментом називається сегмент, у якому починається шлях сигналу з виходу передавача кінцевого вузла. На схемі це сегмент 1. Потім сигнал проходить через проміжні сегменти 2 — 5 і доходить до приймача найвіддаленішого вузла сегмента 6, що називається правим. Саме тут у гіршому випадку відбувається зіткнення кадрів і виникає колізія, що і мається на увазі в таблиці.

З кожним сегментом пов'язана постійна затримка, названа базою, що залежить тільки від типу сегмента і від положення сегмента на шляху сигналу (лівий, проміжний чи правий). База правого сегмента, у якому виникає колізія, набагато перевищує базу лівого і проміжного сегментів.

Крім цього, з кожним сегментом пов'язана затримка поширення сигналу вздовж кабелю сегменту, що залежить від довжини сегменту й обраховується шляхом множення часу поширення сигналу по кабелю довжиною один метр (у бітових інтервалах) на довжину кабелю в метрах. Розрахунок полягає в обчисленні затримок, внесених кожним відрізком кабелю, а потім підсумовуванні цих затримок з базами лівого, проміжних і правого сегментів. Загальне значення PDV не повинно перевищувати 575bt.

Так як лівий і правий сегменти мають різні величини базових затримок, то у випадку різних типів сегментів на краях мережі необхідно виконати розрахунки двічі: один раз прийняти як лівий сегмент одного типу, а другий - сегмент іншого типу. Результатом можна вважати максимальне значення PDV.

Рисунок 4.4 – Приклад мережі Ethernet

В нашому прикладі крайні сегменти мережі належать одному типу - стандарту 10Base-Т, тому подвійний розрахунок робити не потрібно. Але якби вони були сегментами різних типів, то в першому випадку потрібно було б прийняти лівим сегмент між станцією і концентратором 1, а в другому вважати лівим сегмент між станцією і концентратором 5.

Наведена на рис. 4.4, мережа відповідно до правила 4-х хабів не є коректною - в мережі між вузлами сегментів 1 і 6 маємо 5 хабів, хоча сегменти не є сегментами 10Base-FB. Крім того, загальна довжина мережі дорівнює 2800, що порушує правило 2500 м.

Розрахуємо значення PDV для нашого прикладу.

Лівий сегмент 1: 15,3 (база) + 100 х 0,113 = 26,6.

Проміжний сегмент 2: 33,5 + 1000 х 0,1 = 133,5.

Проміжний сегмент 3: 24 + 500 х 0,1 = 74,0.

Проміжний сегмент 4: 24 + 500 ж 0,1 = 74,0.

Проміжний сегмент 5: 24 + 600 х 0,1 = 84,0.

Правий сегмент 6: 165 + 100 х 0,113 = 176,3.

Сума всіх складових дає значення PDV, рівне 568,4.

Так як значення PDV менше максимально допустимої величини 575, то мережа проходить за критерієм часу подвійного проходження сигналу незважаючи на те, що загальна довжина перевищує 2500 м, а кількість повторювачів — більше 4-х.

Розрахунок PVV. Щоб визнати конфігурацію мережі коректною, потрібно розрахувати також зменшення міжкадрового інтервалу повторювачами, тобто величину PVV.

Для розрахунку PVV також можна скористатися значеннями максимальних величин зменшення міжкадрового інтервалу при проходженні повторювачів різних фізичних середовищ, рекомендованими IEEE і наведеними в табл. 4.3.

Таблиця 4.3 – Дані для розрахунку значень PVV

Тип сегменту	Лівий сегмент, bt	Проміжний сегмент, bt
10Base-5 10Base-2 10Base-T 10Base-FB 10Base-FL	16 16 10,5 - 10,5	11 11 8 2 8

Відповідно до цих даних розрахуємо значення PVV для нашого прикладу:

Лівий сегмент 1 10Base-Т: скорочення на 10,5 bt;

Проміжний сегмент 2 10Base-FL: 8;

Проміжний сегмент 3 10Base-FB: 2;

Проміжний сегмент 4 10Base-FB: 2;

Проміжний сегмент 5 10Base-FB: 2.

Сума цих величин дає значення PVV, рівне 24,5bt, що є менше граничного значення - 49 бітових інтервалів.

Таким чином, наведена конфігурація мережі відповідає вимогам стандарту IEEE 802.3.

IP-адресація мереж

Розглянемо IP-адресацію протоколу IPv4. IP-адреса може бути записана у двох форматах – двійковому (binary) та десятковому з точковими розділювачами (dotted decimal notation). Остання форма використовується як зручніша для сприйняття в порівнянні з бінарною формою (рис. 4.5). Кожна IP-адреса має довжину 32 біти і для зручності її поділяють на чотири октети, що відділяються один від одного крапками. Кожен октет представляє десяткове число в діапазоні від 0 до 255. Ці 32 розряди IP-адреси містять ідентифікатор мережі (network ID) та ідентифікатор хоста (host ID).

Ідентифікатор мережі визначає фізичну мережу, він є однаковим для усіх вузлів в одній мережі і унікальний для кожної з мереж, включених в об'єднану мережу. Ідентифікатор вузла являє собою адресу конкретного вузла в цій мережі.

130.107.2.23 десяткова форма

10000010 01101011 00000010 00010111 двійкова форма

ідентифікатор ідентифікатор

мережі вузла

Рисунок 4.5 – Представлення IP-адреси 130.107.2.23 в десятковій та двійковій формах.

Кожен хост повинен утримати унікальну адресу в глобальній комп’ютерній мережі Internet у вигляді IP-адреси. Для кінцевого користувача чи організації IP-адресу чи відповідно діапазон IP-адрес може надавати регіональний Internet сервіс-провайдер (ISP) (фірма, що надає послуги Internet і є точкою входу в Internet (POP)), причому організації виділяється блок IP-адрес, що відповідає розміру її мережі. Слід зазначити, що хоча й уся інформація, отримана з Internet, є безплатна, проте послуги за користування Internet є платні. Причиною цього може служити хоча би той факт, що ISP є суб’єктом підприємницької діяльності. Тому природно, що за кожну зареєстровану IP-адресу слід платити і ця оплата буде прямо пропорційна до кількості зареєстрованих IP-адрес.

ISP у свою чергу повинен отримати діапазон адрес для надання їх клієнтам в організації RIPE_NCC (Регіональний інтернет реєстр, що забезпечує видачу IP-адрес для Європи), який координує розподіл IP-адрес в мережі Internet, або ж в Мережевого інформаційного центру INTERNET (InterNIC).

В протоколі IPv4 існує п'ять класів IP-адрес у відповідності з різними розмірами комп'ютерних мереж. Клас адреси визначає, які біти відносяться до ідентифікатора мережі, а які - до ідентифікатора вузла. Також клас визначає максимально можливу кількість вузлів у мережі.

Класи IP-адрес ідентифікують по значенню першого октету адреси наступним чином (див. рис.4.5).

Адреси класу А назначаються хостам дуже великих мереж. Старший біт у цих адресах завжди рівний нулю. Перший октет присвоюється організацією InterNIC і модифікації не підлягає. Решта три октети містять ідентифікатор вузла.

Адреси класу В назначаються хостам великих та середніх по розміру мереж. Два старші біти в цих адресах завжди рівні двійковому значенню 10. Два перші октети присвоюються організацією InterNIC і модифікації не підлягають. Решта два октети містять ідентифікатор вузла.

Адреси класу С застосовуються в невеликих мережах. Три старші біти в цих адресах завжди рівні двійковому значенню 110. Три перші октети присвоюються організацією InterNIC і модифікації не підлягають. А останній четвертий октет є ідентифікатором вузла.

Кількість мереж, кількість хостів у цих мережах та діапазон значень ідентифікаторів мереж для класів А, В та С наведені в таблиці 4.5.

Класи D та E мають специфічне призначення. Адреси класу D призначені для групових повідомлень. Чотири старші біти в цих адресах завжди рівні двійковому значенню 1110. Решта біт означають конкретну групу одержувачів і не діляться на частини. Пакети з такими адресами розсилаються вибраній групі хостів у мережі.

Клас E – є експериментальний і зарезервований для майбутнього використання, наразі не використовується. Чотири старші біти в цих адресах завжди рівні двійковому значенню 1111.

Таблиця 4.5 – Показники мереж класів А, В та С

Клас	Кількість мереж	Кількість хостів в мережі	Діапазон значень ідентифікаторів мережі
Клас А	126	16777214	1 – 126
Клас В	16384	65534	128 – 191
Клас С	2097152	254	192 - 223

Слід зазначити, що існує цілий ряд адрес, які трактуються особливим чином, ніколи не присвоюються хостам і вважаються виділеними адресами. Ними є:

- 0.0.0.0 даний вузол

- номер мережі | усі нулі дана IP-мережа

- усі нулі | номер хоста хост в даній (локальній) IP-мережі

- 255.255.255.255 всі хости в даній (локальній) IP-мережі

- номер мережі | всі одиниці всі хости у вказаній IP-мережі

- 127.x.y.z шлейфова адреса (напр., 127.0.0.1)

Наприклад,

194.100.2.5 – це адреса хоста в мережі класу С

194.100.2.0 – це адреса самої мережі класу С

0.0.0.5 – це адреса хоста в даній (194.100.2.0) IP-мережі

194.100.2.255 –це адреса всіх хостів у вказаній (194.100.2.0) IP-мережі (широкомовна (broadcast) адреса).

0xxxxxxx

* ******* $$$$$$$$ $$$$$$$$ $$$$$$$$ Клас A: 1 - 126

InterNIC адміністратор мережі

10xxxxxx

******** ******** $$$$$$$$ $$$$$$$$ Клас B: 128 - 191

InterNIC адміністратор

мережі

110xxxxx

******** ******** ******** $$$$$$$$ Клас C: 192 - 223

InterNIC адміністра-

тор мережі

1110xxxxx Клас D: 224 - 239

1111xxxxx Клас E: 240 - 247

Умовні позначення:

* - цей біт присвоюється організацією RIPE_NCC чи InterNIC і зміні не підлягає

$ - цей біт присвоюється системним адмі-

ністратором

x – будь-яке значення біту

Класи мереж Internet.

Рисунок 4.5 – Класи мереж INTERNET.

При визначенні максимальної кількості хостів m у мережі використовується наступна формула

, (6.5.1)

де n – кількість бінарних розрядів, відведених під ідентифікатор хоста, а віднімання числа 2 від загальної кількості пояснюється наявністю в кожній мережі адреси самої мережі та адреси усіх хостів у цій мережі (див. таблицю 4.6).