Эксплуатация и развитие компьютерных сетей и систем Раздел 2

60

имеет преимуществ перед 100Base-T4 (существует коллизионный домен, полоса пропускания которого не больше 100 Мбит/с), то при строительстве сетей с использованием коммутаторов недостаток интерфейса 100Base-T4 становится очевидным и очень серьезным. Поэтому данный интерфейс не получил столь большого распространения, как 100Base-TX и 100Base-FX.

Типы устройств Fast Ethernet

Технология Fast Ethernet рассчитана на подключение конечных узлов — компьютеров с соответствующими сетевыми адаптерами — к многопортовым концентраторам-повторителям или коммутаторам.

Правила корректного построения сегментов сетей

Fast Ethernet включают:

ограничения на максимальные длины сегментов, соеди-

няющих DTE c DTE;

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 (Data Terminal Equipment) может выступать любой источник кадров данных для сети: сетевой адаптер, порт моста, порт маршрутизатора, модуль управления сетью и другие подобные устройства. Порт повторителя не является DTE. В типичной конфигурации сети Fast Ethernet несколько DTE подключается к портам повторителя, образуя сеть звездообразной топологии. Спецификация IEEE 802.3u определяет следующие максимальные значения сегментов DTE-DTE:

Таблица 5.8

61

Трансивер это двухпортовое устройство, охватывающее подуровни PCS, PMA, PMD и AUTONEG, и имеющее с одной стороны MII интерфейс, с другой — один из зависимых от среды физических интерфейсов (100Base-FX, 100Base-TX или 100BaseT4). Трансиверы используются сравнительно редко, как и редко используются сетевые карты, повторители, коммутаторы с интерфейсом MII.

Конвертер (media converter) — это двухпортовое устройство, оба порта которого представляют зависимые от среды интерфейсы. Конвертеры в отличии от повторителей могут работать в дуплексном режиме, за исключение случая, когда имеется порт

100Base-T4. Распространены конвертеры 100Base-TX/100Base-FX.

Конвертерные шасси, объединяющие несколько отдельных модулей 100Base-TX/100Base-FX позволяют подключать множество сходящих в центральном узле волоконно-оптических сегментов к коммутатору оснащенному дуплексными портами RJ-45 (100Base-TX).

Коммутатор — одно из наиболее важных устройств при построении корпоративных сетей. Большинство современных коммутаторов Fast Ethernet, либо допускают работу в режиме автоопредления 100/10 Мбит/с по портам RJ-45, либо могут работать исключительно в этом режиме. Естественно, в таких коммутаторах возможна дуплексная передача (за исключением 100Base-T4). Коммутаторы могут иметь специальные дополнительные слоты для установления uplink-модуля. В качестве интерфейсов у таких модулей могут выступать оптический порты типа Fast Ethernet 100Base-FX, FDDI, ATM (155 Мбит/с), Gigabit Ethernet и др.

Повторители класса I и класса II. По параметру макси-

мальных временных задержек при ретрансляции кадров, повторители Fast Ethernet подразделяются на два класса:

Класс I. Задержка на двойном пробеге PDV не должна превышать 130 bt. В силу менее жестких требований, повторители этого класса могут иметь порты T4 и TX/FX, а также объединяться в стек. Поддерживают все типы систем кодирования физиче-

ского уровня: 100Base-TX/FX и 100Base-T4.

Класс II. Повторители класса II поддерживают только один тип системы кодирования физического уровня — 100Base-TX/FX

63

шрутизаторов делит сеть на несколько доменов коллизий, в каждом из которых обычно имеется не очень большое число станций. Характеристики построения сети на основе повторителей класса I приведены в таблице 5.9.

Таблица 5.9

5.7 Протокол Gigabit Ethernet

В марте 1996 г. комитет IEEE 802.3 одобрил проект стандар-

тизации Gigabit Ethernet 802.3z и создал Gigabit Ethernet Alliance,

который к началу 1998 г. насчитывал уже более 100 компаний. Через Альянс 29 июня 1998 г. обеспечивается одобрение спецификаций стандартов Gigabit Ethernet IEEE 802.3z, которые регламентируют использование одномодового, многомодового волокна, а также витой пары UTP-5 на короткие расстояния — до 25 м. Позднее, 28 июня 1999 г. была разработана спецификация IEEE 802.3ab — передача по неэкранированной витой паре на расстояния до 100 м со специальным помехоустойчивым кодом.

Архитектура стандарта Gigabit Ethernet

На рис. 5.23 показана структура уровней Gigabit Ethernet.

Как и в стандарте Fast Ethernet, в Gigabit Ethernet не существует универсальной схемы кодирования сигнала, которая была бы идеальной для всех физических интерфейсов — для стандартов 1000Base-LX/SX/CX используется кодирование 8B/10B, а для стандарта 1000Base-T используется специальный расширенный линейный код TX/T2. Функцию кодирования выполняет подуро-

65

стандарта ANSI X3T11 Fibre Channel. Аналогичного рассмотренному стандарту FDDI, только на основе более сложной кодовой таблицы каждые 8 входных битов, предназначенных для передачи на удаленный узел, преобразовываются в 10 битные символы (code groups). Кроме этого в выходном последовательном потоке присутствуют специальные контрольные 10 битные символы. Примером контрольных символов могут служить символы, используемые для расширения носителя (дополняют кадр Gigabit Ethernet до его минимально размера 512 байт). При подключении интерфейса 1000Base-T, подуровень PCS осуществляет специальное помехоустойчивое кодирование, для обеспечения передачи по витой паре UTP 5 на расстояние до 100 метров — линейный код TX/T2. Два сигнала состояния линии — сигнал наличие несущей и сигнал отсутствие коллизий — генерируются этим подуровнем.

Подуровни PMA и PMD. Физический уровень Gigabit Ethernet использует несколько интерфейсов, включая традиционную витую пару категории 5, а также многомодовое и одномодовое волокно. Подуровень PMA преобразует параллельный поток символов от PCS в последовательный поток, а также выполняет обратное преобразование (распараллеливание) входящего последовательного потока от PMD. Подуровень PMD определяет оптические/электрические характеристики физических сигналов для разных сред. Всего определяются 4 различный типа физических интерфейса среды, которые отражены в спецификация стандарта

802.3z (1000Base-X) и 802.3ab (1000Base-T), (рис. 5.24).

Рис. 5.24 — Физические интерфейсы стандарта Gigabit Ethernet

66

Интерфейс 1000Base-X

Интерфейс 1000Base-X основывается на стандарте физического уровня Fibre Channel. Fibre Channel — это технология взаимодействия рабочих станций, суперкомпьютеров, устройств хранения и периферийных узлов. Fibre Channel имеет 4-х уровневую архитектуру. Два нижних уровня FC-0 (интерфейсы и среда) и FC-1 (кодирование/декодирование) перенесены в Gigabit Ethernet. Поскольку Fibre Channel является одобренной технологией, то такое перенесение сильно сократило время на разработку оригинального стандарта Gigabit Ethernet.

Блочный код 8B/10B аналогичен коду 4B/5B, принятому в стандарте FDDI. Однако код 4B/5B был отвергнут в Fibre Channel, потому что этот код не обеспечивает баланса по постоянному току. Отсутствие баланса потенциально может привести к зависящему от передаваемых данных нагреванию лазерных диодов, поскольку передатчик может передавать больше битов «1» (излучение есть), чем «0» (излучения нет), что может быть причиной дополнительных ошибок при высоких скоростях передачи.

1000Base-X подразделяется на три физических интерфейса, основные характеристики которых приведены ниже:

Интерфейс 1000Base-SX определяет лазеры с допустимой длиной излучения в пределах диапазона 770—860 нм, мощность излучения передатчика в пределах от –10 до 0 дБм, при отношении ON/OFF (сигнал / нет сигнала) не меньше 9 дБ. Чувствительность приемника –17 дБм, насыщение приемника 0 дБм;

Интерфейс 1000Base-LX определяет лазеры с допустимой длиной излучения в пределах диапазона 1270—1355 нм, мощность излучения передатчика в пределах от –13,5 до –3 дБм, при отношении ON/OFF (есть сигнал / нет сигнала) не меньше 9 дБ. Чувствительность приемника –19 дБм, насыщение приемника

–3 дБм;

1000Base-CX экранированная витая пара (STP »twinax») на короткие расстояния.

При кодировании 8B/10B битовая скорость в оптической линии составляет 1250 бит/c. Это означает, что полоса пропускания участка кабеля допустимой длины должна превышать 625 МГц.

67

Особенности использования многомодового волокна

В мире существует огромное количество корпоративных сетей на основе многомодового волоконно-оптического кабеля, с волокнами 62,5/125 и 50/125. По этому естественно, что еще на этапе формирования стандарта Gigabit Ethernet возникла задача адаптации этой технологии для использования в существующих многомодовых кабельных системах. В ходе исследований по разработке спецификаций 1000Base-SX и 1000Base-LX была выявлена одна очень интересная аномалия, связанная с использованием лазерных передатчиков совместно с многомодовым волокном.

Многомодовое волокно конструировалось для совместного использования со светоизлучающими диодами (спектр излучения 30—50 нс). Некогерентное излучение от таких светодиодов попадает в волокно по всей площади светонесущей сердцевины. В результате в волокне возбуждается огромное число модовых групп. Распространяющийся сигнал хорошо поддается описанию на

68

языке межмодовой дисперсии. Эффективность использования таких светодиодов в качестве передатчиков в стандарте Gigabit Ethernet низкая, в силу очень высокой частоты модуляции — скорость битового потока в оптической линии равна 1250 Мбод, а длительность одно импульса — 0,8 нс. Максимальная скорость, когда еще используются светодиоды для передачи сигнала по многомодовому волокну, составляет 622,08 Мбит/c (STM-4, c учетом избыточности кода 8B/10B битовая скорость в оптической линии 777,6 Мбод).

Рис. 5.25 — Распространение когерентного излучения

вмногомодовом волокне:

а— проявление эффекта дифференциальной модовой задержки (DMD) при осевом вводе излучения;

б— неосевой ввод когерентного излучения

вмногомодовое волокно

Gigabit Ethernet стал первым стандартом, регламентирующим использование лазерных оптических передатчиков совместно с многомодовым волокном. Площадь ввода излучения в волокно от лазера значительно меньше, чем размер сердцевины многомодового волокна. Этот факт сам по себе еще не приводит к проблеме. В то же время, в технологическом процессе производства стандартных коммерческих многомодовых волокон допускается наличие некоторых некритичных при традиционном использовании волокна дефектов (отклонений в пределах допус-

69

тимого), в наибольшей степени сосредоточенных вблизи оси сердцевины волокна. Хотя такое многомодовое волокно полностью удовлетворяет требованиям стандарта, когерентный свет от лазера, введенный по центру такого волокна, проходя через области неоднородности показателя преломления, способен расщепиться на небольшое число мод, которые затем распространяются по волокну разными оптическими путями и с разной скоростью.

Это явление известно как дифференциальная модовая за-

держка DMD. В результате появляется фазовый сдвиг между модами, приводящий к нежелательной интерференции на приемной стороне и к значительному росту числа ошибок (рис. 5.25, а). Замети, что эффект проявляется только при одновременном стечении ряда обстоятельств: менее удачное волокно, менее удачный лазерный передатчик (разумеется удовлетворяющие стандарту) и менее удачный ввод излучения в волокно. С физической стороны, эффект DMD связан с тем, что энергия от когерентного источника распределяется внутри небольшого числа мод, в то время как некогерентный источник равномерно возбуждает огромное число мод. Исследования показывают, что эффект проявляется сильней при использовании длинноволновых лазеров (окно прозрачности 1300 нм).

Указанная аномалия в худшем случае может вести к уменьшению максимальной длины сегмента на основе многомодового ВОК. Поскольку стандарт должен обеспечивать 100-процентную гарантию работы, максимальна длина должна сегмента регламентироваться с учетом возможного проявления эффекта DMD.

Интерфейс 1000Base-LX. Для того, чтобы сохранить большее расстояние и избежать непредсказуемости поведения канала Gigabit Ethernet из-за аномалии, предложено вводить излучение в нецентральную часть сердцевины многомодового волокна. Излучение из-за апертурного расхождения успевает равномерно распределиться по всей сердцевине волокна, сильно ослабляя проявление эффекта, хотя максимальная длина сегмента и после этого остается ограниченной. Специально разработаны переходные од-

номодовые оптические шнуры MCP (mode conditioning patchcords), у которых один из соединителей (а именно тот, который планируется сопрягать с многомодовым волокном) имеет не-