КС (сети) / lec / net2015-lec-06

при включении питания устройства;

может быть инициирован в любой момент модулем управления устройства.

Устройство, начавшее процесс автопереговоров, посылает своему партнеру пачку специальных импульсов FLP (Fast Link Pulse), в которой содержится 8-битное слово, кодирующее предлагаемый режим взаимодействия, начиная с самого приоритетного, поддерживаемого данным узлом.

Если узел-партнер имеет функцию автопереговоров и также способен поддерживать предложенный режим, он отвечает пачкой импульсов FLP, в которой подтверждает этот режим, и на этом переговоры заканчиваются.

Если же узел-партнер не может поддерживать запрошенный режим, то он указывает в своем ответе имеющийся в его распоряжении следующий по степени приоритетности режим, и этот режим выбирается в качестве рабочего.

Характеристики производительности Fast Ethernet определяются аналогично характеристикам версии со скоростью Ethernet 10 Мбит/с с учетом неизменного формата кадра, умножения на 10 битовой скорости (в 10 раз больше) и межкадрового интервала (в 10 раз меньше).

Для Ethernet 10 Мбит/с получаем:

1.Максимальная скорость протокола в кадрах в секунду (для кадров минимальной длины с полем данных 46 байт) вычисляем как 1/(время передачи кадра):

время передачи кадра: 57,6+9,6(IFG)=67,1мкс.

производительность 1/67,1=14880 кадр./с (для кадров максимальной длины с полем данных 1500 байт).

время передачи кадра: 1518+8=1526 байт = 12 208бит = 1220 мкс + 9,6 (IFG)мкс=1230мкс.

производительность 1/1230=813 кадр./сек;

2.Полезная пропускная способность – скорость передачи пользовательских данных (поле DATA кадра) – для кадров минимальной длины (поле данных

46 байт) равна 14880*46*8 = 5,48 Мбит/с

3.Полезная пропускная способность для кадров максимальной длины (поле данных 1500 байт) равна 813*1500*8 = 9,76 Мбит/с (что близко к номинальной скорости протокола!!!)

Для Ethernet 100 Мбит/с получаем:

1.Максимальная скорость протокола в кадрах в секунду (для кадров минимальной длины с полем данных 46 байт) составляет 148 800;

2.Полезная пропускная способность для кадров минимальной длины равна

54,8 Мбит/с;

3.Полезная пропускная способность для кадров максимальной длины (поле данных 1500 байт) равна 97,6 Мбит/с.

Стандарт предполагает использование не более двух репитеров.

2.Технологии Gigabit Ethernet (1000 Мбит/с)

В1998 году комиссией 802.3z Института инженеров по электротехнике и электронике (Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE) был принят стан-

дарт 1000BASE-X. Этот стандарт поднял скорость передачи данных по оптоволоконным каналам связи в дуплексном режиме до 1 Гбит/с, таким образом, увеличив скорость в 100 раз по сравнению со стандартом 10BASET. Стандарт 1000BASET, описывающий технологию со скоростью 1 Гбит/с и использующий медный UTP-кабель категории 5, был принят в 1999 году.

Втабл. 2 перечислены рабочие параметры технологии Ethernet, которая работает со скоростью 1000 Мбит/с

Таблица 2 – Рабочие параметры среды Gigabit Ethernet

Стандарты 1000BASE-T, 1000BASE-SX и 1000BASE-LX используют одинаковые временные параметры. Необходимо отметить, что 1 битовый интервал (время передачи одного бита) на скорости 1000 Мбит/с равен 1 нс или 1 миллионной секунды. Также необходимо помнить, что некоторые отличия во временных параметрах по сравнению с традиционной технологией Ethernet и Fast Ethernet связаны со специфическими проблемами, возникающими при столь малых значениях битовых и канальных интервалов.

Проблемы совместимости

Основная идея разработчиков стандарта Gigabit Ethernet состояла в максимальном сохранении идей классической технологии Ethernet при достижении битовой скорости в 1000 Мбит/с.

В результате дебатов были приняты следующие решения:

сохраняются все форматы кадров Ethernet;

по-прежнему существует полудуплексная версия протоколов, поддерживающая метод доступа CSMA/CD;

поддерживаются все основные виды кабелей, используемых в Ethernet и Fast Ethernet, в том числе и волоконно-оптический, витая пара категории 5, экранированная витая пара.

Несмотря на то, что в Gigabit Ethernet не стали встраиваться новые функции, поддержание даже достаточно простых функций классического стандарта Ethernet на скорости 1 Гбит/с потребовало решения нескольких сложных задач:

1.Обеспечение приемлемого диаметра сети для работы па разделяемой среде. В связи с ограничениями, накладываемыми методом CSMA/CD на длину кабеля, версия Gigabit Ethernet для разделяемой среды допускала бы длину сегмента всего в 25 м при сохранении размера кадров и всех параметров метода CSMA/CD неизменными. Так как существует большое количество применений, требующих диаметра сети хотя бы 200 м, необходимо было каким-то образом решить эту задачу за счет минимальных изменений в технологии Fast Ethernet.

2.Достижение битовой скорости 1000 Мбит/с на оптическом кабеле. Технология Fibre Channel, физический уровень которой был взят за основу оптоволоконной версии Gigabit Ethernet, обеспечивает скорость передачи данных всего в 800 Мбит/с.

3.Использование в качестве кабеля витой пары. Такая задача на первый взгляд кажется неразрешимой – ведь даже для 100-мегабитных протоколов требуются достаточно сложные методы кодирования, чтобы уложить спектр сигнала в полосу пропускания кабеля.

Для решения этих задач разработчикам технологии Gigabit Ethernet пришлось внести изменения не только в физический уровень, как это было в случае Fast Ethernet, но и в уровень MAC.

Средства обеспечения диаметра сети в 200 м на разделяемой среде

Для расширения максимального диаметра сети Gigabit Ethernet до 200 м в полудуплексном режиме разработчики технологии предприняли достаточно естественные меры, в основе которых лежало известное соотношение времени передачи кадра минимальной длины и времени оборота (PDV).

Минимальный размер кадра был увеличен (без учета преамбулы) с 64 до 512 байт, или до 4096 бит. Соответственно, время оборота также можно было увеличить до 4095 битовых интервалов, что при использовании одного повторителя сделало допустимым диаметр сети около 200 м.

Для увеличения длины кадра до величины, требуемой в новой технологии, сетевой адаптер должен дополнить поле данных до длины 448 байт так называемым расширением, представляющим собой поле, заполненное нулями. Формально минимальный размер кадра не изменился, он по-прежнему равняется 64 байта, или 512

бит, но это объясняется тем, что поле расширения помещается после поля контрольной суммы кадра (FCS). Соответственно, значение этого поля не включается в контрольную сумму и не учитывается при указании длины поля данных в поле длины. Поле расширения является просто расширением сигнала несущей частоты, необходимым для корректного обнаружения коллизий.

Для сокращения накладных расходов в случае использования слишком длинных кадров при передаче коротких квитанций разработчики стандарта разрешили конечным узлам передавать несколько кадров подряд без передачи среды другим станциям. Такой режим получил название режима пульсаций. Станция может передать подряд несколько кадров с общей длиной не более 65 536 бит, или 8192 байт. При передаче нескольких небольших кадров станции можно не дополнять первый кадр до размера в 512 байт за счет поля расширения, а передавать несколько кадров подряд до исчерпания предела в 8192 байт (в этот предел входят все байты кадра, в том числе преамбула, заголовок, данные и контрольная сумма). Предел 8192 байт называется длиной пульсации. Если предел длины пульсации достигается в середине кадра, то кадр разрешается передать до конца. Увеличение «совмещенного» кадра до 8192 байт несколько задерживает доступ к разделяемой среде других станций, но при скорости 1000 Мбит/с эта задержка не столь существенна.

3. Принципы построения сетей Gigabit Ethernet

Любое Ethernet-устройство, способное работать на разных скоростях передачи, например, 100 Мбит/с и 1000 Мбит/с, является мостом второго уровня модели OSI. Устройство, работающее с разными скоростями, не может оставаться повторителем.

В основе принципа построения среды Gigabit Ethernet используются дуплексные соединения типа «станция-станция», «станция-коммутатор», «коммутаторкоммутатор» и «коммутатор-маршрутизатор». Стандарт 1000BASESX предназначен для использования с многомодовым оптическим кабелем. Стандарт 1000BASELX использует как многомодовые, так и одномодовые оптические кабели.

В табл. 3 и 4 перечислены максимальные расстояния при использовании стандартов 1000BASE-SX и 1000BASE-LX. Практический предел расстояния между устройствами определяется коммутируемым характером сетей Gigabit Ethernet. Допустимы топологические схемы построения сети в виде последовательной цепочки, звезды и расширенной звезды. В этом случае вопрос только в выборе логической топологии и маршрута потока данных, а не ограничения по времени или расстоянию.

IEEE 802.3z разработала решение для передачи приложений типа Gigabit Ethernet по волоконно-оптическому кабелю в полно- и полудуплексном режиме на скоростях 1 Gbps (1000 mbps).

Приложение 1000BASE-SX было разработано для реализации в горизонтальной подсистеме и поддерживает расстояния, указанные в табл. 3. Приложение 1000BASE-LX было разработано для реализации в магистралях. Приложение

1000BASE-LX поддерживает максимальные длины в 550 м для многомодового оптоволокна и до 3 км для одномода.

Таблица 3 – Максимальные рабочие расстояния для приложения 1000BASE-SX

Таблица 4 – Максимально допустимая длина кабелей для стандарта 1000 BASE-LX

UTP-кабель для стандарта 1000BASE-T практически не отличается от используемого в стандартах 10BASE-T и 100BASE-TX, за исключением того, что производительность соединения должна соответствовать высшей категории 5е или ISO

класса D (2000).

Изменение правил построения сети стандарта 1000BASE-T весьма нежелательно. На расстоянии 100 м оборудование стандарта 1000BASE-T работает на пределе физических возможностей по распознаванию сигнала.

Дуплексные соединения могут быть длиннее, чем это указано в табл. 5, поскольку их длина ограничена только способностью среды пропускания доставить сигнал, который может быть декодирован. Они не имеют ограничений, связанных с временем доставки и подтверждения.

Очень сложно встретить соединения Gigabit Ethernet, которые работают в полудуплексном режиме. Принудительная работа в полудуплексном режиме для сети, использующей дуплексную сигнальную схему, неразумна с точки зрения использования ресурсов. Работа в полудуплексном режиме накладывает дополнительные ограничения на эффективную длину кабеля, кроме того, существенно возрастают накладные расходы, связанные с расширением несущего сигнала. Повторители в среде Gigabit Ethernet используются, как правило, редко. Это означает, что в большинстве случаев соединения осуществляются между станцией и мостом второго уровня OSI или между двумя мостами, ограничивая таким образом коллизионный домен.

Рекомендуется, чтобы все соединения между станциями и коммутатором были настроены на автоопределение, что позволит достичь максимально высокой общей производительности без риска неправильной конфигурации и поможет избежать

случайных ошибок при конфигурировании прочих, необходимых для правильной работы среды Gigabit Ethernet, параметров.

В табл. 5 перечислены параметры полудуплексного режима передачи.

Таблица 5 – Длина кабелей для разных конфигураций в полудуплексном режиме

4.Технология 10Gb Ethernet (10 Гбит/с)

В2002 году был основан комитет IEEE 802.3ae. Разрабатываемый им стандарт определяет спецификации для дуплексной передачи данных по оптическому кабелю со скоростью 10 Гбит/с. Стандарты 802.3ае и 802.3 (оригинальная версия Ethernet), а также все остальные версии Ethernet имеют много общего.

Появление технологии 10GbE привело к существенным концептуальным изменениям. Традиционно Ethernet рассматривается как технология для локальных сетей. Однако стандарт физического уровня для 10GbE позволяет увеличить расстояния (до 40 км при использовании одномодового оптического волокна) и обеспечивает совместимость с синхронными оптическими (SONET) и синхронными цифровыми сетями (SDH). Возможность работать на расстояниях до 40км делает технологию 10GbE пригодной для использования в сетях регионального масштаба.

Совместимость с сетями SONET/SDH, работающими на скоростях до 9,584640 Гбит/с (канал ОС192), делает возможным использование технологии 10GbE в распределенных сетях. Для некоторых приложений стандарт 10GbE может составить конкуренцию технологии АТМ.

В технологии 10GbE используется тот же формат фрейма, что обеспечивает совместимость всех технологий: устаревших версий, Fast Ethernet, Gigabit и 10 Гбит/с Ethernet без преобразования протоколов и фреймов. Время передачи бита равно 0,1 нс. Остальные временные характеристики вычисляются соответственно.

Нет необходимости в использовании алгоритма доступа CSMA/CD, поскольку все соединения оптического кабеля дуплексные.

Подуровни уровней 1 и 2 модели OSI практически полностью совпадают с аналогичными спецификациями для стандарта 802.3 с небольшими дополнениями для обеспечения передачи данных на расстояния до 40 км по оптическим каналам и совместимости с сетями SONET/SDH.

Технология предоставляет возможности для создания гибких, эффективных, надежных и относительно недорогих соединений между локальными сетями. Эта

среда обеспечивает возможность передавать данные в локальных, региональных и распределенных сетях, используя единый транспортный метод второго уровня.

Таблица 6 – Рабочие параметры Ethernet-сетей со скоростью передачи данных 10 Гбит/с

* В десятигигабитовой технологии Ethernet не предусмотрен полудуплексный режим работы, поэтому параметры, которые связаны с канальным интервалом и коллизиями, не определены.

**Расширение межфреймового интервала предусмотрено только для технологии

10GBASE-W.

Базовым стандартом, описывающим метод доступа CSMA/CD, является IEEE 802.3. Дополнение к этому стандарту под названием 802.3ае описывает семейство технологий 10GBASE-, включая следующие:

10GBASE-SR предназначен для коротких расстояний и использует существующие многомодовые оптические кабели. Рассчитан на расстояния от 26 до 82 метров;

10GBASE-LX4 использует мультиплексирование со спектральным уплотне-

нием сигнала (WavelengthDivision Multiplexing — WDM). Рассчитан на рас-

стояния от 240 до 300 метров при использовании существующего многомодового оптического кабеля, и до 10 км при использовании одномодового оптического кабеля;

10GBASE-LR и 10GBASE-ER рассчитаны на расстояния от 10 до 40 километров при использовании одномодового оптоволокна;

10GBASE-SW, 10GBASE-LW и 10GBASE-EW разработаны для использова-

ния с оборудованием OC192/STM SONET/SDH для распределенных сетей.

В табл. 7 перечислены различные реализации 10-гигабитовой технологии Ethernet. Спецификации R и W описываются соответствующими записями (напри-

мер, 10GBASE-E описывается как 10GBASE-ER, так и 10GBASE-EW).

Комитет IEEE 802.3ае совместно с Альянсом 10 Gb Ethernet (10 GEA) работают над стандартизацией перечисленных выше технологий. Среди членов комитета ведутся дискуссии о возможности создания стандартов для технологии Ethernet со скоростью передачи информации 40, 80 и даже 100 Гбит/с и даже 160 Гбит/с.

Кафедра КИ, ДонНТУ Курс «Компьютерные сети» Лекция 6 – Модель OSI. Функции и протоколы канального уровня 18

Таблица 7 – Реализации 10-гигабитовой технологии Ethernet

*Стандарт допускает расстояния до 40 км при условии, что затухание достаточно мало.

Поскольку в качестве передающей среды используется оптический кабель, вероятность возникновения ошибок при передаче данных по сети стала намного меньше по сравнению с оригинальными версиями технологии Ethernet. В сети с меньшей вероятностью возникновения ошибок вполне логичным будет передавать данные, используя пакеты большей длины (так называемые Jumbo-фреймы). Jumboфреймом называется любой Ethernet-фрейм, содержащий более 1500 байтов данных. Рекомендуемый максимальный размер для Jumbo фрейма составляет около 9000 байтов. В настоящий момент Jumbo-фреймы не являются частью нового стандарта IEEE 802.3ae. Однако вполне вероятно, что отдельные производители Ethernet оборудования встроят возможность использования Jumbo-фреймов при построении Ethernet-сетей на основе их оборудования. Такое действие может подтолкнуть комитет IEEE 802.3 к ратификации использования фреймов большего размера в будущих многогигабитовых стандартах.

В среде 10GbEthernet используются несколько вариантов комплексного кодирования, предшествующего кодированию сигнала в линии, такие, как 8В/10В и 64В/66В. Биты кодов затем преобразуются в сигналы линии.

Gigabit Ethernet является прямым потомком Ethernet и Fast Ethernet, хорошо зарекомендовавших себя за почти двадцатилетнюю историю, сохранив их надежность и перспективность использования. Наряду с предусмотренной обратной совместимостью с предыдущими решениями (кабельная структура остается неизменной) он обеспечивает теоретическую пропускную способность в 1000 Мбит/сек, что приблизительно равно 120 Мб в секунду. Стоит отметить, что такие возможности практически равны скорости 32-битной шины PCI 33 МГц. Именно поэтому гигабитные адаптеры выпускаются как для 32-битной PCI (33 и 66 МГц), так и для 64битной шины.

Хотя высокие скорости внесли и свои нововведения, но именно в наследовании старых стандартов состоит огромное преимущество и популярность Gigabit

Ethernet. Конечно, сейчас предложены и другие решения, такие как ATM и Fibre Channel, но здесь сразу теряется главное преимущество для конечного потребителя. Переход на другую технологию ведет за собой массовую переделку и переоборудование сетей предприятия, тогда как Gigabit Ethernet позволит плавно наращивать скорость и не изменять кабельное хозяйство. Такой подход и позволил Ethernetтехнологии занять доминирующее место в области сетевых технологий и завоевать более 80 процентов мирового рынка передачи информации.

Рисунок 5 – Структура построения сети Ethernet

с плавным переходам на более высокие скорости передачи данных .

5. Будущее технологии Ethernet

Несмотря на то что другие сетевые технологии по-прежнему используются, Ethernet является доминирующей технологией для подавляющего большинства новых сетей. На сегодня технология Ethernet является стандартом для вертикальной, горизонтальной структурированной кабельной сети и соединений внутри зданий. Фактически недавно разработанные версии Ethernet стирают границы между локальными, региональными и распределенными сетями с точки зрения географических расстояний, покрываемых единым участком сети.

В перспективе будут использоваться три разновидности сред передачи:

медный провод (со скоростью передачи данных до 1000 Мбит/с, возможно, больше);

беспроводные технологии (со скоростью передачи данных до 1000 Мбит/с, возможно, больше);

оптическое волокно (в настоящий момент скорость передачи данных составляет до 10 000 Мбит/с, в ближайшем будущем – больше).

Вотличие от медного провода и беспроводной связи, где используемые для передачи сигналов частоты приближаются к практическому пределу, исключительно большая пропускная способность оптического кабеля в обозримой перспективе не будет ограничивающим фактором. В оптических системах ограничения скорости связаны только с технологией производства электронных компонентов – передатчиков и приемников. По этой причине будущие разработки в технологии Ethernet будут связаны, вероятно, с усовершенствованием лазерных источников света и одномодовых оптических кабелей.

На рис. 6 проиллюстрировано, как увеличился ареал использования технологии

Ethernet.

Рисунок 6 – Рост количества сетей и расширение сферы влияния технологии Ethernet

Когда Ethernet была относительно «медленной» технологией, полудуплексный режим передачи не предполагал наличия функций качества обслуживания (Quality of Service – QoS), необходимых для передачи трафика определенного типа. В данном случае речь идет о таких технологиях, как IP-телефония и широковещательное видео.

Однако высокоскоростные технологии Ethernet, использующие дуплексный режим передачи и доминирующие на современном рынке, доказали, что они могут использоваться даже с очень требовательными к качеству услуг приложениями, что делает потенциальный круг приложений, используемых совместно с технологией Ethernet, еще шире. По иронии судьбы, возможность гарантировать сквозное качество услуг, способствовавшее в середине 1990-х годов продвижению технологии ATM на рынок настольных рабочих станций и распределенных сетей, сегодня является основной целью, к которой стремится технология Ethernet, сменив ATM.

Технологии Ethernet, которым уже около 30 лет, продолжают свое развитие и имеют прекрасные перспективы.