Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Olifer_V_G__Olifer_N_A_-_Kompyuternye_seti_-_2010.pdf
Скачиваний:
2375
Добавлен:
21.03.2016
Размер:
23.36 Mб
Скачать

426

Глава 13. Коммутируемые сети Ethernet

Скоростные версии Ethernet

Скорость 10 Мбит/с первой стандартной версии Ethernet долгое время удовлетворяла по­ требности пользователей локальных сетей. Однако в начале 90-х годов начала ощущаться недостаточная пропускная способность Ethernet, так как скорость обмена с сетью стала существенно меньше скорости внутренней шины компьютера. Кроме того, начали по­ являться новые мультимедийные приложения, гораздо более требовательные к скорости сети, чем их текстовые предшественники. В поисках решения проблемы ведущие произ­ водители сетевого оборудования начали интенсивные работы по повышению скорости Ethernet при сохранении главного достоинства этой технологии —простоты и низкой стоимости оборудования.

Результатом стало появление новых скоростных стандартов Ethernet: Fast Ethernet (скорость 100 Мбит/с), Gigabit Ethernet (1000 Мбит/с, или 1 Гбит/с) и 10G Ethernet (10 Гбит/с). На время написания этой книги два новых стандарта —40G Ethernet и 100G Ethernet —находились в стадии разработки, обещая следующее десятикратное превышение верхней границы производительности Ethernet.

Разработчикам новых скоростных стандартов Ethernet удалось сохранить основные чер­ ты классической технологии Ethernet и, прежде всего, простой способ обмена кадрами без встроенных в технологию сложных контрольных процедур. Этот фактор оказался решающим в соревновании технологий локальных сетей, так как выбор пользователей всегда склонялся в пользу простого наращивания скорости сети, а не в пользу решений, связанных с более эффективным расходованием той же самой пропускной способности с помощью более сложной и дорогой технологии. Примером такого подхода служит пере­ ход с оборудования Fast Ethernet на Gigabit Ethernet вместо перехода на оборудование ATM со скоростью 155 Мбит/с. Несмотря на значительную разницу в пропускной способ­ ности (1000 Мбит/с против 155 Мбит/с), оба варианта обновления сети примерно равны по степени положительного влияния на «самочувствие* приложений, так как Gigabit Ethernet достигает нужного эффекта за счет равного повышения доли пропускной спо­ собности для всех приложений, a ATM перераспределяет меньшую пропускную способ­ ность более тонко, дифференцируя ее в соответствии с потребностями приложений. Тем не менее пользователи предпочли не вдаваться в детали и тонкости настройки сложного оборудования, когда можно просто применить знакомое и простое, но более скоростное оборудование Ethernet.

Значительный вклад в «победу» Ethernet внесли также коммутаторы локальных сетей, так как их успех привел к отказу от разделяемой среды, где технология Ethernet всегда была уязвимой из-за случайного характера метода доступа. Начиная с версии 10G Ethernet, раз­ работчики перестали включать вариант работы на разделяемой среде в описание стандарта. Коммутаторы с портами Fast Ethernet, Gigabit Ethernet и 10G Etherhet работают по одному и тому же алгоритму, описанному в стандарте IEEE 802.ID. Возможность комбинировать порты с различными скоростями в диапазоне от 10 Мбит/с до 10 Гбит/с делает коммута­ торы Ethernet гибкий и эффективными сетевыми устройствами, позволяющими строить разнообразные сети.

Повышение скорости работы Ethernet было достигнуто за счет улучшения качества кабе­ лей, применяемых в компьютерных сетях, а также совершенствования методов кодирова­ ния данных при их передаче по кабелям, то есть за счет совершенствования физического уровня технологии.

Скоростные версии Ethernet

427

Fast Ethernet

История создания

В1992 году группа производителей сетевого оборудования, включая таких лидеров тех­ нологии Ethernet, как SynOptics, 3Com и ряд других, образовала некоммерческое объеди­ нение Fast Ethernet Alliance для разработки стандарта новой технологии, которая должна была обеспечить резкое повышение производительности при максимально возможном сохранении особенностей технологии Ethernet.

Вкомитете 802 института IEEE в это же время была сформирована исследовательская группа для изучения технического потенциала новых высокоскоростных технологий. За период с конца 1992 года и по конец 1993 года группа IEEE изучила 100-мегабитные решения, предложенные различными производителями. Наряду с предложениями Fast Ethernet Alliance группа рассмотрела также и высокоскоростную технологию, предложен­ ную компаниями Hewlett-Packard и AT&T.

Вцентре дискуссий была проблема сохранения метода случайного доступа CSMA/CD. Предложение Fast Ethernet Alliance сохраняло этот метод и тем самым обеспечивало преем­ ственность и согласованность сетей со скоростями 10 Мбит/с и 100 Мбит/с. Коалиция HP иAT&T, которая заручилась поддержкой значительно меньшего числа производителей в се­ тевой индустрии, чем Fast Ethernet Alliance, предложила совершенно новый метод доступа, названный приоритетным доступом по требованию (demand priority). Он существенно менял картину поведения узлов в сети, поэтому не смог вписаться в технологию Ethernet и стандарт 802.3; для его стандартизации был организован новый комитет IEEE 802.12.

Осенью 1995 года обе технологии стали стандартами IEEE. Комитет IEEE 802.3 принял спецификацию Fast Ethernet в качестве стандарта 802.3и, который не является самостоя­ тельным стандартом, а представляет собой дополнение к существующему стандарту 802.3 в виде глав с 21 по 30. Комитет 802.12 принял технологию 100VG-AnyLAN, в которой использовался приоритетный доступ по требованию и поддерживались кадры двух фор­ матов —Ethernet и Token Ring.

Технологии Fast Ethernet и 100VG-AnyLAN в первые месяцы своего существования рас­ сматривались как равные соперники, но очень скоро стало ясно, что пользователи предпо­ читают более простую и знакомую технологию Fast Ethernet. Вскоре технология 100VGAnyLAN прекратила свое существование; немаловажным фактором этого стал и переход локальных сетей на полностью коммутируемые версии, сводящий «на нет» преимущества более совершенного метода доступа технологии 100VG-AnyLAN.

Физические уровни технологии Fast Ethernet

Все отличия технологий Fast Ethernet и Ethernet сосредоточены на физическом уровне (рис. 13.17). Уровни MAC и LLC в Fast Ethernet остались абсолютно теми же, и их опи­ сывают прежние главы стандартов 802.3 и 802.2. Поэтому, рассматривая технологию Fast Ethernet, мы будем изучать только несколько вариантов ее физического уровня.

Организация физического уровня технологии Fast Ethernet является более сложной, по­ скольку в ней используются три варианта кабельных систем:

волоконно-оптический многомодовый кабель (два волокна);

витая пара категории 5 (две пары);

витая пара категории 3 (четыре пары).

428

Глава 13. Коммутируемые сети Ethernet

Стек протоколов

Стек протоколов

Ethernet

Fast Ethernet

Рис. 13.17. Отличия технологий Fast Ethernet и Ethernet

Коаксиальный кабель, давший миру первую сеть Ethernet, в число разрешенных сред передачи данных новой технологии Fast Ethernet не попал. Это общая тенденция многих новых технологий, поскольку на небольших расстояниях витая пара категории 5 позволяет передавать данные с той же скоростью, что и коаксиальный кабель, но сеть получается более дешевой и удобной в эксплуатации. На больших расстояниях оптическое волокно обладает гораздо более широкой полосой пропускания, чем коаксиал, а стоимость сети получается ненамного выше, особенно если учесть высокие затраты на поиск и устранение неисправностей в крупной кабельной коаксиальной системе.

Официальный стандарт 802.3 установил три различных спецификации для физического уровня Fast Ethernet и дал им следующие названия (рис. 13.18):

100Base-TX для двухпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP категории 5 или экранированной витой паре STP типа 1;

100Base-T4 для четырехпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP кате­ гории 3,4 или 5;

100Base-FX для многомодового оптоволоконного кабеля с двумя волокнами.

Для всех трех стандартов справедливы перечисленные далее утверждения и характери­ стики.

щедм&ш кадюэ технологии

ДО

мегабитнойсети Ethernet

 

Скоростные версии Ethernet

 

 

 

429

 

 

 

Подуровень LLC

 

 

 

 

 

Подуровень MAC

 

 

 

 

 

Согласование

 

 

 

 

 

 

Интерфейс МП

Физический

100Base-FX

 

100Base-TX

 

100Base-T4

 

 

 

 

 

уровень

 

 

 

 

 

^

Оптоволокно

£ ^

Витая пара £

^

Витая пара £

Рис. 13.18. Структура физического уровня Fast Ethernet

Межкадровыйинтервалравен0,96 мкс, абитовыйинтервал— 10нс. Всевременное параметры алгоритмадостуоа(интервал отсрочки, время передачи кадра минимальной длины и т. п.), из­ меренныеабитовіадинт^іалан,

Признакомсвободного состояния среды является передача по ней символа простоя источни­

ка —С0о та # т^в у ю ^г^^^

ко^а іа не отсутствие сигналов, как а стандартах Ethernet

со ckgpoctwqЛІ) ЦЬт/о),

 

Физический уровень включает три элемента.

Независимый от среды интерфейс (Media Independent Interface, МП).

Уровень согласования нужен для того, чтобы уровень MAC, рассчитанный на интер­ фейс AUI, мог работать с физическим уровнем через интерфейс МИ.

Устройство физического уровня (Physical Layer Device, PHY) состоит, в свою очередь, из нескольких подуровней (см. рис. 13.17):

Оподуровня логического кодирования данных, преобразующего поступающие от уровня MAC байты в символы кода 4В/5В или 8В/6Т (первый метод кодирования используются в версиях 100Base-TX и 100Baase-FX, второй —в версии lOOBaseТ4);

Оподуровней физического присоединения и зависимости от физической среды (PMD), которые обеспечивают формирование сигналов в соответствии с методом физического кодирования, например NRZI или MLT-3;

Оподуровня автопереговоров, который позволяет двум взаимодействующим портам автоматически выбрать наиболее эффективный режим работы, например полуду­ плексный или дуплексный (этот подуровень является факультативным).

Интерфейс МП поддерживает независимый от физической среды способ обмена данными между подуровнем MAC и подуровнем PHY. Этот интерфейс аналогичен по назначению интерфейсу AUI классического стандарта Ethernet за исключением того, что интерфейс AUIрасполагался между подуровнем физического кодирования сигнала (для любых вари­ антов кабеля использовался одинаковый метод физического кодирования —манчестерский код) и подуровнем физического присоединения к среде, а интерфейс МП располагается

430

Глава 13. Коммутируемые сети Ethernet

между подуровнем MAC и подуровнями кодирования сигнала, которых в стандарте Fast Ethernet три: FX, ТХ и Т4.

Версия 100Base-T4 носила промежуточный характер, так как она позволяла повысить скорость классического варианта Ethernet в 10 раз, не меняя кабельную систему здания. Так как большинство предприятий и организаций достаточно быстро заменили кабели категории 3 кабелями категории 5, то необходимость в версии 100Base-T4 отпала, и обо­ рудование с такими портами перестало выпускаться. Поэтому далее мы рассмотрим детали только спецификаций 100Base-FX и 100Base-TX.

Спецификация 100Base-FX определяет работу протокола Fast Ethernet по многомодово­ му оптоволокну в полудуплексном и дуплексном режимах. В то время как в Ethernet со скоростью передачи 10 Мбит/с используется манчестерское кодирование для представ­ ления данных, в стандарте Fast Ethernet определен другой метод кодирования —4В/5В, который мы рассматривали в главе 9. Этот метод к моменту разработки технологии Fast Ethernet уже показал свою эффективность в^етях FDDI, поэтому он без изменений был перенесен в спецификацию 100Base-FX/TX. Напомним, что в этом методе каждые четыре бита данных подуровня MAC (называемых символами) представляются пятью битами. Избыточный бит позволяет применить потенциальные коды при представлении каждого из пяти битов в виде электрических или оптических импульсов.

Существование запрещенных комбинаций символов позволяет отбраковывать ошибочные символы, что повышает устойчивость работы сетей 100Base-FX/TX. Так, в Fast Ethernet признаком того, что среда свободна, стала повторяющаяся передача одного из запрещенных для кодирования пользовательских данных символа, а именно символа простоя источника Idle (11111). Такой способ позволяет приемнику всегда находиться в синхронизме с пере­ датчиком.

Для отделения кадра Ethernet от символов простоя источника используется комбинация символов начального ограничителя кадра —пара символов J (11000) и К (10001) кода 4В/5В, а после завершения кадра перед первым символом простоя источника вставляется символ Т (рис. 13.19).

яр Преамбула ■SFD DA SA

Данные CRC

т

 

m

JK— ограничитель начала потока значащих символов

Первый байт преамбулы

Т — ограничитель конца потока значащих символов

Рис. 13.19. Непрерывный потокданных спецификаций 100Base-F)tyTX

После преобразования 4-битных порций кодов MAC в 5-битные порции физического уров­ ня их необходимо представить в виде оптических или электрических сигналов в кабеле, соединяющем узлы сети. В спецификациях 100Base-FX и 100Base-TX для этого исполь­ зуются, соответственно, методы физического кодирования NRZI и MLT-3.

В спецификации 100Ва$е-ТХ в качестве среды передачи данных используется витая пара UTP категории 5 или STP типа 1. Основным отличием от спецификации 100Base-FX (на­ ряду с методом кодирования MLT-3) является наличие схемы автопереговоров для выбора режима работы порта»

Схема автопереговоров позволяет двум физически соединенным устройствам, которые поддерживают несколько стандартов физического уровня, отличающихся битовой скоро­ стью и количеством витых пар, согласовать наиболее выгодный режим работы. Обычно

Скоростные версии Ethernet

431

процедура автопереговоров происходит при подсоединении сетевого адаптера, который может работать на скоростях 10 и 100 Мбит/с, к концентратору или коммутатору.

Всего в настоящее время определено 5 различных режимов работы, которые могут под­ держивать устройства 100Base-TX/T4 на витых парах:

10Base-T;

дуплексный режим 10Base-T;

100Base-TX;

100Base-T4;

дуплексный режим 100Base-TX.

Режим 10Base-T имеет самый низкий прйоритет в переговорном процессе, а дуплексный режим 100Base-TX —самый высокий.

Переговорный процесс происходит при включении питания устройства, а также может быть инициирован в любой момент модулем управления устройства. Устройство, начав­ шее процесс автопереговоров, посылает своему партнеру пачку специальных импульсов FLP(Fast Link Pulse), в которой содержится 8-битное слово, кодирующее предлагаемый режимвзаимодействия, начиная с самого приоритетного, поддерживаемого данным узлом. Импульсы FLP имеют длительность 100 не, как и импульсы LIT, используемые для те­ стирования целостности физического соединения в стандарте 10Base-T, однако вместо передачи одного импульса LIT через каждые 16 мс, здесь через тот же интервал передается пачка импульсов FLP.

Еслиузел-партнер имеет функцию автопереговоров и также способен поддерживать пред­ ложенный режим, он отвечает пачкой импульсов FLP, в которой подтверждает этот режим, и наэтом переговоры заканчиваются. Если же узел-партнер не может поддерживать запро­ шенныйрежим, 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 характе­ ристикам 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). В результате получаем:

максимальная скорость протокола в кадрах в секунду (для кадров минимальной длины сполем данных 46 байт) составляет 148 800;

□ полезная пропускная способность для кадров минимальной длины равна 54,8 Мбит/с;

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

Gigabit Ethernet

История создания

Достаточнобыстро после появления на рынке продуктов Fast Ethernet сетевые интеграто­ ры иадминистраторы при построении корпоративных сетей почувствовали определенные ограничения. Во многих случаях серверы, подключенные по 100-мегабитному каналу, перегружали магистрали сетей, также работающие на скорости 100 Мбит/с —магистрали FDDI и Fast Ethernet. Ощущалась потребность в следующем уровне иерархии скоростей.

432

Глава 13. Коммутируемые сети Ethernet

В 1995 году более высокие скорости могли предоставить только коммутаторы ATM, кото­ рые из-за высокой стоимости, а также значительных отличий от классических технологий применялись в локальных сетях достаточно редко.

Поэтому логичным выглядел следующий шаг, сделанный IEEE. Летом 1996 года было объявлено о создании группы 802.3z для разработки протокола, в максимальной степени подобного Ethernet, но с битовой скоростью 1000 Мбит/с. Как и в случае Fast Ethernet, сообщение было воспринято сторонниками Ethernet с большим энтузиазмом.

Основной причиной энтузиазма была перспектива плавного перевода сетевых магистралей на Gigabit Ethernet, подобно тому, как были переведены на Fast Ethernet перегруженные сегменты Ethernet, расположенные на нижних уровнях иерархии сети. К тому же опыт передачи данных на гигабитных скоростях уже имелся. В территориальных сетях такую скорость обеспечивала технология SDH, а в локальных —технология Fibre Channel. По­ следняя используется в основном для подключения высокоскоростной периферии к круп­ ным компьютерам и передает данные по волоконно-оптическому кабелю со скоростью, близкой к гигабитной. (Именно метод кодирования 8В/10В, применяемый в технологии Fiber Channel, был принят в качестве первого варианта физического уровня Gigabit Ethernet)

Стандарт 802.3z был окончательно принят в 1998 году. Работы по реализации Gigabit Ethernet на витой паре категории 5 были переданы проблемной группе 802.3аЬ ввиду слож­ ности обеспечения гигабитной скорости на этом типе кабеля, рассчитанного на поддержку скорости 100 Мбит/с. Проблемная группа 802.3аЬ успешно справилась со своей задачей, и версия Gigabit Ethernet для витой пары категории 5 была принята.

Проблемы совместимости

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

*радультвт© пртж»

л Л & т і щ

OfШ йдерживаютоя всеосноїШтЩ * кабелей,

втом

. числеволо^ннр*огтгим#сіоий.іс^

витадггара.

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.

Обеспечение приемлемого диаметра сети для работы на разделяемой среде. В связи

сограничениями, 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,

Скоростные версии Ethernet

433

необходимо было каким-то образом решить эту задачу за счет минимальных изменений

втехнологии Fast Ethernet.

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.

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 из­ менения не только в физический уровень, как это было в случае Fast Ethernet, но и в уро­ вень MAC.

Средства обеспечения диаметра сети в 200 м на разделяемой среде

Длярасширения 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.

Дляувеличения длины кадра до величины, требуемой в новой технологии, сетевой адаптер должен дополнить поле данных до длины 448 байт так называемым расширением, пред­ ставляющим собой поле, заполненное нулями. Формально минимальный размер кадра не изменился, он по-прежнему равняется 64 байт, или 512 бит; но это объясняется тем, что полерасширения помещается после поля контрольной суммы кадра (FCS). Соответствен­ но, значение этого поля не включается в контрольную сумму и не учитывается при указа­ нии 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 рас­ ширения, 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 819^байт называется длиной пульсации. Если предел длины пульсации достигается в середине кадра, то кадр разрешается передать до конца. Увеличение «совме­ щенного» кадра до 8192 байт несколько задерживает доступ к разделяемой среде других станций, но при скорости 1000 Мбит/с эта задержка не столь существенна.

434

Глава 13. Коммутируемые сети Ethernet

Спецификации физической среды стандарта Gigabit Ethernet

В стандарте 802.3z определены следующие типы физической среды:

одномодовый вблоконно-оптический кабель;

многомодовый йолоконно-оптический кабель 62,5/125;

многомодовый волоконно-оптический кабель 50/125;

экранированный сбалансированный медный кабель.

Для передачи данных по традиционному для компьютерных сетей многомодовому волоконно-оптическому кабелю стандарт предписывает применение излучателей, рабо­ тающих на двух длинах волн: 1300 и 850 нм. Применение светодиодов с длиной волны 850 нм объясняется тем, что они намного дешевле, чем светодиоды, работающие на волне 1300 нм, хотя при этом максимальная длина кабеля уменьшается, так как затухание много­ модового оптоволокна на волне 850 м более чем в два раза выше, чем на волне 1300 нм. Тем не менее возможность удешевления чрезвычайно важна для такой в целом дорогой технологии, как Gigabit Ethernet.

Для многомодового оптоволокна стандарт Gigabit Ethernet определяет спецификации 1000Base-SX и 1000Base-LX. В первом случае используется длина волны 850 нм (S озна­ чает Short Wavelength), а во втором — 1300 нм (L —Long Wavelength). Спецификация 1000Base-SX разрешает использовать только многомодовый кабель, при этом его макси­ мальная длйна составляет около 500 м.

Для спецификации 1000Base-LX в качестве источника излучения всегда применяется полупроводниковый лазер диод с длиной волны 1300 нм. Спецификация 1000Base-LX позволяет работать как с многомодовым (максимальное расстояние до 500 м), так и с одно­ модовым кабелем (максимальное расстояние зависит от мощности передатчика и качества кабеля и может доходить до нескольких десятков километров).

В качестве среды передачи данных в спецификации 1000-СХ определен экранированный сбалансированный медный кабель с волновым сопротивлением 150 Ом. Максимальная длина сегмента составляет всего 25 м, поэтому это решение подходит только для соедине­ ния оборудования, расположенного в одной комнате.

Gigabit Ethernet на витой паре категории 5

Как известно, каждая пара кабеля категории 5 имеет гарантированную полосу пропускания до 100 МГц. Для передачи по такому кабелю данных со скоростью 1000 Мбит/с было реше­ но организовать параллельную передачу одновременно по всем четырем парам кабеля.

Это сразу снизило скорость передачи данных по каждой паре до 250 Мбит/с. Однако и для такой скорости необходимо было придумать метод кодирования со спектром, не превы­ шающим 100 МГц. Например, код 4В/5В не позволяет решить поставленную задачу, так как основной вклад в спектр сигнала на такой скорости у него вносит частота 155 МГц. Кроме того, не нужноубывать, что каждая новая версия должна поддерживать не только класси­ ческий полудуплексный режим, но и дуплексный режим. На первый взгляд кажется, что одновременное использование четырех пар лишает сеть возможности работы в дуплексном режиме, так как не остается свободных пар для одновременной передачи данных в двух направлениях —от узла и к узлу

Тем не менее проблемная группа 802.3аЬ нашла решения обеих проблем.

Скоростные версии Ethernet

435

Для кодирования данных был применен код РАМ5 с пятью уровнями потенциала: -2, -1, 0, +1, +2. В этом случае за один такт по одной паре передается 2,322 бит информа­ ции (log25). Следовательно, для достижения скорости 250 Мбит/с тактовую частоту 250 МГц можно уменьшить в 2,322 раза. Разработчики стандарта решили использовать несколько более высокую частоту, а именно 125 МГц. При этой тактовой частоте код РАМ5 имеет спектр уже, чем 100 МГц, то есть он может быть передан без искажений по кабелю категории 5.

В каждом такте передается не 2,322 х 4 * 9,288 бит информации, а 8. Это и дает искомую суммарную скорость 1000 Мбит/с. Передача ровно восьми битов в каждом такте достига­ ется за счет того, что при кодировании информации используются не все 625 (54 - 625) комбинаций кода РАМ5, а только 256 (28 - 256). Оставшиеся комбинации приемник за­ действует для контроля принимаемой информации и выделения правильных комбинаций нафоне шума.

Для организации дуплексного режима разработчики спецификации 802.ЗаЬ применили технику выделения принимаемого сигнала из суммарного. Два передатчика работают навстречу друг другу по каждой из четырех пар в одном и том же диапазоне частот (рис. 13.20). Н-образная схема гибридной развязки позволяет приемнику и передатчику одного и того же узла использовать одновременно витую пару и для приема, и для передачи (так же, как и в трансиверах Ethernet на коаксиале).

250 Мбит/с

250 Мбит/с

<

250 Мбит/с

250 Мбит/с

250 Мбит/с

250 Мбит/с

<

250 Мбит/с

250 Мбит/с

<

Рис. 13.20. Двунаправленная передача по четырем парам UTP категории 5

Для отделения принимаемого сигнала от собственного приемник вычитает из результи­ рующего сигнала известный ему свой сигнал. Естественно, что это не простая операция и для ее выполнения используются специальные процессоры цифровой обработки сигнала (Digital Signal Processor, DSP).

Вариант технологии Gigabit Ethernet на витой паре расширил процедуру автопереговоров, введеннуюстандартом 100Base-T, за счет включения туда дуплексного и полудуплексного режимов работы на скорости 1000 Мбит/с. Поэтому порты многих коммутаторов Ethernet на витой паре являются универсальными в том смысле, что могут работать на любой из трехскоростей (10,100 или 1000 Мбит/с).

436

Глава 13. Коммутируемые сети Ethernet

Характеристики производительности Gigabit Ethernet зависят от того, использует ли ком­ мутатор режим передачи кадров с расширением или же передает их в режиме пульсаций.

В режиме пульсаций на периоде пульсации мы получаем характеристики, в 10 раз отли­ чающиеся от характеристик Fast Etherhet:

максимальная скорость протокола в кадрах в секунду (для кадров минимальной длины

сполем данных 46 байт) составляет 1 488 ООО;

полезная пропускная способность для кадров минимальной длины равна 548 Мбит/с;

полезная пропускная способность для кадров максимальной длины (поле данных 1500 байт) равна 976 Мбит/с.

10G Ethernet

Формально этот стандарт имеет обозначение IEEE 802.3ае и является поправкой к основ­ ному тексту стандарта 802.3. Формат кадра остался неизменным, при этом расширение кадра, введенное в стандарте Gigabit Ethernet, не используется, так как нет необходимости обеспечивать распознавание коллизий.

Стандарт 802.3ае описывает несколько новых спецификаций физического уровня, которые взаимодействуют с уровнем MAC с помощью нового варианта подуровня согласования. Этот подуровень обеспечивает для всех вариантов физического уровня 10G Ethernet еди­ ный интерфейс XGMII (extended Gigabit Medium Independent Interface —расширенный интерфейс независимого доступа к гигабитной среде), который предусматривает парал­ лельный обмен четырьмя байтами, образующими четыре потока данных.

На рис. 13.21 показана структура интерфейсов 10G Ethernet для физического уровня, ис­ пользующего оптическое волокно. Как видно из рисунка, существуют три группы таких физических интерфейсов: 10GBase-X, 10Gbase-R и 10GBase-W. Они отличаются способом кодирования данных: в варианте 10Base-X применяется код 8В/10В, в остальных двух — код 64В/66В. Все они для передачи данных задействуют оптическую среду.

Группа 10GBase-X в настоящее время состоит из одного интерфейса подуровня PMD — 10GBase-LX4. Буква L говорит о том, что информация передается с помощью волн второго диапазона прозрачности, то есть 1310 нм. Информация в каждом направлении передается одновременно с помощью четырех волн (что отражает цифра 4 в названии интерфейса), которые мультиплексируются на основе техники WDM (рис. 13.22). Каждый из четырех потоков интерфейса XGMII передается в оптическом волокне со скоростью 2,5 Гбит/с.

Максимальное расстояние между передатчиком и приемником стандарта 10GBase-LX4 на многомодовом волокне равно 200-300 м (в зависимости от полосы пропускания волокна), на одномодовом —10 км.

В каждой из групп 10GBase-W и 10GBase-R может быть три варианта подуровня PMD: S, L и Е в зависимости от используемого для передачи информации диапазона волн —850, 1310 или 1550 нм соответственно. Таким образом, существуют интерфейсы 10GBase-WS, 10GBase-WL, 10GBase-WE и 10GBase-RS, 10GBase-RL и lOGBase-RE. Каждый из них передает информацию с помощью одной волны соответствующего диапазона.

Скоростные версии Ethernet

 

 

 

 

 

437

 

 

 

 

 

Уровни CSMA/CD

 

 

 

 

 

 

 

Верхние уровни

 

 

 

 

 

 

 

Подуровень LCC

 

 

Уровни модели OSI

 

 

 

Подуровень (необязательный) управления уровня MAC

 

Прикладной уровень

 

 

 

 

Уровень MAC

 

 

Уровень представления

 

 

 

 

Применение

 

 

Сеансовый уровень

 

 

XGMII-

XGMII-

XGMII-

 

 

 

 

 

 

 

 

Транспортный уровень

і

 

іі

64В/65В PCS

 

 

 

 

 

 

 

 

 

і>

//

WIS

64В/65В PCS

64В/65В PCS

 

Сетевой уровень

»

/

>

РМА

РМА

РМА

>-

 

 

 

I

ц

Канальный уровень

 

 

о.

 

 

 

о.

 

 

 

PMD

PMD

PMD

 

 

 

 

 

 

Физический уровень

 

 

MDI-

MDI-

MDI-

 

10GBase-W

10GBase-R

10GBase-X

Рис. 13.21. Три группы физических интерфейсов 10G Ethernet

 

\

 

Оптический

 

 

- >

со

 

передатчик

о

 

 

 

 

 

2

гг

 

 

Ц

S

 

Оптический

со

3*

 

Z

СО

 

передатчик

си

СО

 

X

s

 

 

ф

X

 

 

о

 

 

S

CL

 

Оптический

3

X

- >

z

передатчик

2

s

 

CD

О

 

 

§

 

 

 

 

 

%

 

 

Оптический

с

 

- >

передатчик

 

. ....

 

 

 

Кроссовый кабель

 

 

 

*

Оптический

 

 

 

 

 

 

 

< -

 

со

 

 

 

 

приемник

 

о

 

 

 

О.

 

 

гг

3

 

 

 

8

 

 

Л

§

 

 

 

Оптический

 

S

-►

 

 

Ф

 

ГГ

х

 

 

приемник

 

$

 

 

 

с;

 

 

 

 

с

 

 

s

Ф

 

 

 

 

 

 

Z

 

 

Ш

і

 

 

а

S

 

 

Оптический

 

3

 

 

 

 

 

к

- >

 

 

г

приемник

 

S

2

 

 

 

со

 

 

 

ф

 

 

о

2

 

 

 

я

 

 

 

S

 

 

 

Оптический

 

 

X

- >

 

 

< -

< -

« У

о.

MDI

MDI

приемник

.

с

 

 

 

 

 

 

/

 

Оптоволоконный

Индикатор

Интерфейс PMD

сигнала

кабель

 

WD - волновое разделение

 

Интерфейс РМО

Рис. 13.22. В интерфейсе 10GBase-LX4 используется техника WDM

Вотличие от 10GBase-R физические интерфейсы группы 10GBase-W обеспечивают жорость передачи и4к>рмат данных, совместимые с интерфейсом SONET STS-192/SDH ГГМ-64. Пропускная способность интерфейсов группы W равна 9,95328 Гбит/с, а эффекивная скорость передачи данных —9,58464 Гбит/с (часть пропускной способности тратит- я на заголовки кадров STS/STM). Из-за того что скорость передачи информации у этой рунпы интерфейсов ниже, чем 10 Гбит/с, они могут взаимодействовать только между обой, то есть соединение, напоимео. интерфейсов 10GBase-RL и 10Base-WL невозможно.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]