100Base Ethernet или Fast Ethernet (ieee 802.3u)
Основная идея Fast Ethernet (быстрого Ethernet) заключается в том, чтобы оставить без изменений все старые форматы кадров Ethernet, процедуры и лишь уменьшить битовый интервал со 100 нс до 10 нс. 100-мегабитный Ethernet (100 Base Ethernet, Fast Ethernet) использует тот же формат кадра, метод доступа в канал CSMA/CD, топологию звезда и управление передачей (LLC – подуровень), что и стандарт IEEE 802.3 (10Base-T Ethernet). Принципиальная разница заключена на физическом уровне – в реализации устройств PHY. Реально физическое устройство PHY – это чип на сетевом адаптере или на отдельном трансивере.
Типичная сеть Fast Ethernet состоит из узлов (nodes, компьютеров), соединенных средой передачи данных (кабельной или беспроводной) и специализированным сетевым оборудованием, таким как маршрутизаторы, концентраторы или коммутаторы.
Коммутаторы – это фундаментальная часть большинства современных сетей. Коммутатор, содержащит высокоскоростную плату, организующую пересылку кадров между портами. Средой передачи данных стала не только медь, но и оптоволокно. Кроме того, появились средства управления трафиком – протоколы IEEE 802.1.
К порту коммутатора может подключаться сегмент сети или только одна рабочая станция. Если оборудование работает в дуплексном режиме, то исключаются коллизии.
Существует множество различных типов коммутаторов. Коммутаторы, которые обеспечивают выделенное соединение для каждого узла внутренней сети компании, называются коммутаторами локальных сетей (LAN Switches).
Технологии коммутации
Коммутация 2-го уровня
Коммутаторы работают на канальном уровне модели OSI. Они анализируют заголовки входящих кадров, принимают решение об их дальнейшей передаче на основе МАС - адресов, и передают кадры пунктам назначения.
Коммутация 2-го уровня – аппаратная. Передача кадра в коммутаторе может осуществляться специализированным контроллером, называемым Application-Specific Integrated Circuits (ASIC). Эта технология, разработанная для коммутаторов, позволяет поддерживать гигабитные скорости с небольшой задержкой.
Существуют 2 основные причины использования коммутаторов 2-го уровня – сегментация сети и объединение рабочих групп. Деление крупной сети на логические сегменты повышает производительность сети, гибкость построения сети, увеличивает степень защиты данных, и облегчает управление сетью.
Коммутация 3-го уровня
Коммутация 3-го уровня – это аппаратная маршрутизация, где передача пакетов обрабатывается контроллерами ASIC. Коммутаторы 3-го уровня принимают решения на основе информации сетевого уровня, а не на основе МАС -адресов.
Основная цель коммутации 3-го уровня – получить скорость коммутации 2-го уровня и масштабируемость маршрутизации.
Коммутатор 3-го уровня выполняет следующие функции:
на основе информации 3-го уровня (сетевых адресов) определяет путь к месту назначения пакета;
проверяет целостность заголовка 3-го уровня, вычисляя контрольную сумму;
проверяет время жизни пакета;
обновляет статистику в Информационной базе управления (Management Information Base-MIB);
обеспечивает управление безопасностью (если необходимо)
обеспечивает необходимое качество сервиса (QoS) для мультимедийных приложений чувствительных к задержкам передачи.
Основное отличие между маршрутизаторами и коммутаторами 3-го уровня заключается в том, что в основе коммутации 3-го уровня лежит аппаратная реализация. В маршрутизаторах общего назначения коммутация пакетов обычно выполняется программным образом.
Большинство современных коммутаторов работают на основе патентованных контроллеров ASIC. Коммутаторы, реализующие также функции сетевого уровня (маршрутизацию), оснащены, как правило, RISC-процессорами для выполнения ресурсоемких программ маршрутизации.
Коммутация 4-го уровня
В заголовке пакета сетевого уровня содержится информация о протоколах верхних уровней, такая как тип протокола и номер порта.
Простое определение коммутации 4-го уровня – это возможность принимать решение о передаче пакета, основываясь не только на МАС или IP адресах, но и на параметрах 4-го уровня, таких как номер порта TCP/UDP.
Когда коммутаторы выполняют функции 4-го уровня, они читают поля TCP и UDP внутри заголовка и определяют, какой тип информации передается в этом пакете.
Администратор сети может запрограммировать коммутатор обрабатывать трафик в соответствии с приоритетом приложений.
Характеристики, влияющие на производительность коммутаторов
Основными показателями коммутатора, характеризующими его производительность, являются:
скорость фильтрации кадров;
скорость продвижения кадров;
пропускная способность;
задержка передачи кадра.
Скорость фильтрации (filtering) определяет скорость, с которой коммутатор выполняет следующие этапы обработки кадров:
прием кадра в свой буфер;
просмотр адресной таблицы с целью нахождения порта для адреса назначения кадра;
уничтожение кадра, если его порт назначения и порт источника принадлежат одному логическому сегменту.
Обычно коммутатор успевает отбрасывать кадры в темпе их поступления.
Скорость продвижения (forwarding) определяет скорость, с которой коммутатор выполняет следующие этапы обработки кадров:
прием кадра в свой буфер;
просмотр адресной таблицы с целью нахождения порта для адреса назначения кадра;
передача кадра в сеть через найденный по адресной таблице порт назначения.
Как скорость фильтрации, так и скорость продвижения измеряется обычно в кадрах в секунду. По умолчанию считается, что эти показатели даются для протокола Ethernet и кадров минимального размера, то есть кадров длиной 64 байт (без преамбулы) с полем данных в 46 байт. Кадры минимальной длины всегда создают для коммутатора наиболее тяжелый режим работы.
Пропускная способность коммутатора измеряется количеством пользовательских данных (в мегабитах или гигабитах в секунду), переданных в единицу времени через его порты.
Максимальное значение пропускной способности коммутатора всегда достигается на кадрах максимальной длины, так как при этом доля накладных расходов на служебную информацию кадра гораздо ниже.
Задержка передачи кадра измеряется как время, прошедшее с момента прихода первого байта кадра на входной порт коммутатора до момента появления этого байта на его выходном порту. Величина вносимой коммутатором задержки зависит от режима его работы. Если коммутация осуществляется «на лету», то задержки обычно невелики и составляют от 5 до 40 мкс, а при полной буферизации кадров - от 50 до 200 мкс (для кадров минимальной длины).
Существует три основных версии Fast Ethernet: 100BASE-TX, 100BASE-T4 и 100BASE-FX. Все версии обладают одинаковой скоростью передачи – 100 Мбит/с, но используют разную среду передачи:
|
Стандарт |
Тип кабеля |
Максимальная длина сегмента |
|
100Base-TX |
Category 5 UTP, 2 неэкранированные пары |
100 метров |
|
100Base-FX |
многомодовое оптоволокно 62.5/125 мкм, 1 волокно |
412 метров (полудуплекс) 2 км (полный дуплекс) |
|
100Base-T4 |
Category 3 UTP,4 неэкранированные пары |
100 метров |
Для присоединения витой пары так же, как и в случае 10BASE-T используются 8-контактные разъемы типа RJ-45. звезда с концентратором в центре. Только сетевые адаптеры должны быть Fast Ethernet, и концентратор должен быть рассчитан на подключение сегментов 100BASE-TX.
Физический уровень Fast Ethernet имеет более сложную структуру, чем классический Ethernet. Физический уровень можно условно разделить на три элемента:
подуровень согласования (reconciliation sublayer);
независимый от среды интерфейс (Media Independent Interface, MII);
устройство физического уровня (Physical layer device, PHY).
Устройство физического уровня PHY также можно поделить на несколько подуровней:
подуровень физического кодирования PCS;
подуровень физического присоединения (PMA, Physical Medium Attachment);
подуровень зависимости физической среды (PMD, Physical Medium Dependent);
подуровень автопереговоров о скорости передачи данных (Auto-Negotiation).
Эта структура представлена на рисунке ниже.
Физический уровень PHY ответственен за прием данных в параллельной форме от MAC-подуровня, последовательную трансляцию их в один поток бит (TX или FX) или три потока бит (Т4) с возможностью побитной синхронизации и передачу их через разъем на кабель. Аналогично, на приемном узле уровень PHY должен принимать сигналы по кабелю, определять моменты синхронизации бит, извлекать биты из физических сигналов, преобразовывать их в параллельную форму и передавать подуровню MAC.
Интерфейс MII поддерживает независимый от используемой физической среды способ обмена данными между MAC-подуровнем и подуровнем PHY.
Подуровень согласования Reconciliation необходим для согласования команд между MAC-подуровнем и подуровнем независимого от среды интерфейса MII. Он определяет логические, электрические и механические характеристики для взаимодействия CSMA/CD – контроллера (канальный уровень) и различных физических сред.
Интерфейс MII
Существует два варианта реализации интерфейса MII: внутренний и внешний.
При внутреннем варианте микросхема, реализующая подуровни MAC и согласования, с помощью интерфейса MII соединяется с микросхемой трансивера внутри одного и того же конструктива, например, платы сетевого адаптера или модуля маршрутизатора (рисунок ниже). Микросхема трансивера реализует все функции устройства PHY.
Сетевой адаптер с внутренним интерфейсом MII (сетевой адаптер NIC рабочей станции)
Внешний вариант соответствует случаю, когда трансивер вынесен в отдельное устройство и соединен кабелем MII через разъем MII с микросхемой MAC-подуровня.
Разъем MII имеет 40 контактов, максимальная длина кабеля MII составляет 1 метр. Сигналы, передаваемые по интерфейсу MII, имеют амплитуду 5 В.
Использование внешнего трансивера с интерфейсом MII
Структура физического уровня Fast Ethernet на примере спецификации 100Base-FX представлена на рисунке ниже.
Физический уровень PHY FX
Между спецификациями PHY FX и PHY TX есть много общего, поэтому общие для двух спецификаций свойства будут даваться под обобщенным названием PHY FX/TX.
В спецификациях PHY FX/TX используется метод кодирования 4В/5В. Этот код обладает по сравнению с манчестерским кодом более узкой полосой спектра сигнала, а, следовательно, предъявляет меньшие требования к полосе пропускания кабеля. Однако введение избыточного бита вынуждает передавать биты результирующего кода 4B/5B со скоростью 125 Мбит/c, то есть время передачи одного бита (битовый интервал) в устройстве PHY составляет 8 наносекунд.
Так как из 32 возможных комбинаций 5-битовых кодовых слов для передачи исходных данных нужно только 16, то остальные 16 комбинаций в коде 4В/5B используются в служебных целях.
Наличие служебных символов позволило использовать в спецификациях FX/TX схему непрерывного обмена сигналами между передатчиком и приемником и при свободном состоянии среды, что отличает их от спецификации 10Base-T, когда незанятое состояние среды обозначается полным отсутствием на ней импульсов информации. Для обозначения незанятого состояния среды используется служебный символ Idle (11111), который постоянно циркулирует между передатчиком и приемником, поддерживая их синхронизм и в периодах между передачами информации, а также позволяя контролировать физическое состояние линии.
Непрерывный поток данных спецификаций PHY FX/TX
После преобразования 4-битовых порций MAC-кодов в 5-битовые порции PHY их необходимо представить в виде оптических или электрических сигналов в кабеле, соединяющем узлы сети. Спецификации PHY FX и PHY TX используют для этого различные методы физического кодирования - NRZI и MLT-3 соответственно.
В спецификации PHYT4вместо кодирования 4B/5В используется кодирование 8B/6T. Каждые 8 бит информации MAC-уровня кодируются 6-ю троичными цифрами (ternary symbols). Каждая троичная цифра имеет длительность 40 наносекунд. Группа из 6-ти троичных цифр затем передается на одну из трех передающих витых пар, независимо и последовательно. Четвертая пара всегда используется для прослушивания несущей частоты в целях обнаружения коллизии. Скорость передачи данных по каждой из трех передающих пар равна 33,3 Мбит/c, поэтому общая скорость протокола 100Base-T4 составляет 100 Мбит/c. В то же время из-за принятого способа кодирования скорость изменения сигнала на каждой паре равна всего 25 Мбод, что и позволяет использовать витую пару категории 3.
Функция автопереговоров (Auto-negotiation) позволяет двум устройствам, соединенным одной линией связи, автоматически, без вмешательства оператора, выбрать наиболее высокоскоростной режим работы, который будет поддерживаться обоими устройствами.
Устройства DTE (сетевые адаптеры рабочих станций) напрямую присоединяются к коммутатору (direct-разводка), а коммутаторы (маршрутизаторы) присоединяются к другим устройствам соединения сегментов сетей при помощи “cross-over” разводки, то есть для этого нужны “cross-over”-патчкорды. Обычно у коммутаторов (маршрутизаторов) существует два вида портов – MDI и MDI-X. MDI – это порт с прямой разводкой, MDI-X – порт с внутренней функцией “cross-over”. Значит, в случае порта MDI-X, коммутаторы можно соединять обычным патчкордом.
Дополнительные функции коммутаторов
Коммутатор представляет собой довольно сложное вычислительное устройство, имеющее несколько процессорных модулей. Помимо выполнения основной функции передачи кадров с порта на порт современный коммутатор выполняет дополнительные функции, полезные при построении современных, расширяемых, надежных и гибких сетей. Среди них самые распространенные и наиболее используемые это:
Технологии Виртуальных Сетей – VLAN IEEE 802.q.
Поддержка протокола связующего (покрывающего) дерева Spanning Tree IEEE 802.1d и Rapid Spanning Tree IEEE 802.1w. Алгоритм Spanning Tree (STA) позволяет коммутаторам автоматически определять древовидную конфигурацию связей в сети при произвольном соединении портов коммутаторов между собой.
Объединение каналов Ethernet.
Поддержка SNMP – управления. Протокол SNMP предоставляет средства контроля и управления сетевыми устройствами, конфигурациями, производительностью и безопасностью, а также средства сбора статистической информации.
Приоритетная обработка кадров (IEEE 802.1р). Эта возможность является следствием того, что коммутаторы буферизуют кадры перед их отправкой на другой порт. Коммутатор обычно ведет для каждого входного и выходного порта не одну, а несколько очередей, причем каждая очередь имеет свой приоритет обработки. При этом коммутатор может быть сконфигурирован, например, так, чтобы передавать один низкоприоритетный пакет на каждые 10 высокоприоритетных пакетов. Поддержка приоритетной обработки может особенно пригодиться для приложений, предъявляющих различные требования к допустимым задержкам кадров и к пропускной способности сети для потока кадров.
Обеспечение функции Port Security, или привязка MAC-адреса к определенному порту. Используется для защиты сети от несанкционированного доступа.
Поддержка 802.1х и др. Протокол IEEE 802.1х определяет доступ на основе модели Клиент/Сервер и протокол аутентификации, который не позволяет неавторизованным устройствам подключаться к локальной сети через порты коммутатора. Сервер аутентификации (RADIUS) проверяет права доступа каждого клиента, подключаемого к порту коммутатора прежде, чем разрешить доступ к любому из сервисов, предоставляемых коммутатором или локальной сетью.
Виртуальные локальные сети VLAN
Виртуальная сеть (virtual LAN, VLAN) – это логическая группа узлов сети, трафик которой, в том числе и широковещательный, на канальном уровне полностью изолирован от других узлов сети. Это означает, что передача кадров между разными виртуальными сетями на основании MAC-адреса невозможна, независимо от типа адреса - уникального, группового или широковещательного.
В коммутаторах могут использоваться три типа VLAN:
1. VLAN на базе портов
2. VLAN на базе MAC-адресов.
3. VLAN на основе меток в дополнительном поле кадра – стандарт IEEE 802.1q