Максимальная производительность сети Ethernet
Количество обрабатываемых кадров Ethernet в секунду часто указывается производителями мостов/коммутаторов и маршрутизаторов как основная характеристика производительности этих устройств. В свою очередь, иногда необходимо знать чистую максимальную пропускную способность сегмента Ethernet в кадрах в секунду в идеальном случае, когда в сети нет коллизий и нет дополнительных задержек, вносимых мостами и маршрутизаторами. Такой показатель помогает оценить требования к производительности коммуникационных устройств, так как в каждый порт устройства не может поступать больше кадров в единицу времени, чем позволяет это сделать соответствующий протокол.
Для коммуникационного оборудования наиболее тяжелым режимом является обработка кадров минимальной длины. Это объясняется тем, что на обработку каждого кадра мост, коммутатор или маршрутизатор тратит примерно одно и то же время, связанное с просмотром таблицы продвижения пакета, формированием нового кадра (для маршрутизатора) и т. п. А количество кадров минимальной длины, поступающих на устройство в единицу времени, естественно больше, чем кадров любой другой длины. Другая характеристика производительности коммуникационного оборудования - бит в секунду - используется реже, так как она не говорит о том, какого размера кадры при этом обрабатывало устройство, а на кадрах максимального размера достичь высокой производительности, измеряемой в битах в секунду гораздо легче.
Замечание. При указании пропускной способности сетей термины кадр и пакет обычно используются как синонимы. Соответственно, аналогичными являются и единицы измерения производительности frames-per-second (fps) и packets-per-second (pps).
Для расчета максимального количества кадров минимальной длины, проходящих по сегменту Ethernet, заметим, что размер кадра минимальной длины вместе с преамбулой составляет 72 байт или 576 бит (рис. 64.), поэтому на его передачу затрачивается 57,5 мкс. Прибавив межкадровый интервал в 9,6 мкс, получаем, что период следования кадров минимальной длины составляет 67,1 мкс. Отсюда максимально возможная пропускная способность сегмента Ethernet составляет 14880 кадр/с.
Рис. 64. К расчету пропускной способности протокола Ethernet
Естественно, что наличие в сегменте нескольких узлов снижает эту величину за счет ожидания доступа к среде, а также за счет коллизий, приводящих к необходимости повторной передачи кадров.
Кадры максимальной длины технологии Ethernet имеют поле длины 1500 байт, что вместе со служебной информацией дает 1518 байт, а с преамбулой составляет 1526 байт или 12208 бит. Максимально возможная пропускная способность сегмента Ethernet для кадров максимальной длины составляет 813 кадр/с. Очевидно, что при работе с большими кадрами нагрузка на мосты, коммутаторы и маршрутизаторы довольно ощутимо снижается.
Теперь рассчитаем, какой максимальной полезной пропускной способностью в бит в секунду обладают сегменты Ethernet при использовании кадров разного размера.
Под полезной пропускной способностью протокола понимается скорость передачи пользовательских данных, которые переносятся полем данных кадра. Эта пропускная способность всегда меньше номинальной битовой скорости протокола Ethernet за счет нескольких факторов:
служебной информации кадра;
межкадровых интервалов (IPG);
ожидания доступа к среде.
Для кадров минимальной длины полезная пропускная способность равна:
СП =14880 * 46 *8 = 5,48 Мбит/с.
Это намного меньше 10 Мбит/с, но следует учесть, что кадры минимальной длины используются в основном для передачи квитанций, так что к передаче собственно данных файлов эта скорость отношения не имеет.
Для кадров максимальной длины полезная пропускная способность равна:
СП = 813 *1500 * 8 =9,76 Мбит/с,
что весьма близко к номинальной скорости протокола.
Еще раз подчеркнем, что такой скорости можно достигнуть только в том случае, когда двум взаимодействующим узлам в сети Ethernet другие узлы не мешают, что бывает крайне редко,
При использовании кадров среднего размера с полем данных в 512 байт пропускная способность сети составит 9,29 Мбит/с, что тоже достаточно близко к предельной пропускной способности в 10 Мбит/с.
Главным достоинством сетей Ethernet, благодаря которому они стали такими популярными, является их экономичность. Для построения сети достаточно иметь по одному сетевому адаптеру для каждого компьютера плюс один физический сегмент коаксиального кабеля нужной длины. Другие базовые технологии, например Token Ring, для создания даже небольшой сети требуют наличия дополнительного устройства - концентратора.
Кроме того, в сетях Ethernet реализованы достаточно простые алгоритмы доступа к среде, адресации и передачи данных. Простота логики работы сети ведет к упрощению и, соответственно, удешевлению сетевых адаптеров и их драйверов. По той же причине адаптеры сети Ethernet обладают высокой надежностью.
И, наконец, еще одним замечательным свойством сетей Ethernet является их хорошая расширяемость, то есть легкость подключения новых узлов.
Технология Fast Ethernet
Технология Fast Ethernet является эволюционным развитием классической технологии Ethernet. Ее основными достоинствами являются:
• увеличение пропускной способности сегментов сети до 100 Мбит/с;
• сохранение метода случайного доступа Ethernet;
• сохранение звездообразной топологии сетей и поддержка традиционных сред передачи данных - витой пары и оптоволоконного кабеля.
Указанные свойства позволяют осуществлять постепенный переход от сетей 10Base-T - наиболее популярного на сегодняшний день варианта Ethernet - к скоростным сетям, сохраняющим значительную преемственность с хорошо знакомой технологией. Fast Ethernet не требует коренного переобучения персонала и замены оборудования во всех узлах сети.
Спецификация Fast Ethernet (802.3u), не является самостоятельным стандартом, а представляет собой дополнение к существующему стандарту 802.3 в виде глав с 21 по 30. Отличия Fast Ethernet от Ethernet сосредоточены на физическом уровне (рис. 65).
Более сложная структура физического уровня технологии Fast Ethernet вызвана тем, что в ней используется три варианта кабельных систем:
оптоволокно- 100Base-FX;
2-парная витая пара категории 5 - 100Base-TX;
4-парная витая пара категории 3 - 100Base-T4.
По сравнению с вариантами физической реализации Ethernet, здесь отличия каждого варианта от других глубже - меняется и количество проводников, и методы кодирования. А так как физические варианты Fast Ethernet создавались одновременно, а не эволюционно, как для сетей Ethernet, то имелась возможность детально определить неизменяемые от варианта к варианту подуровни физического уровня и остальные подуровни, специфические для каждого варианта.
Подуровни LLC и MAC в стандарте Fast Ethernet не претерпели изменений.
Рис. 65. Отличия стека протоколов 100Base-T от стека протоколов 10Base-T
Форматы кадров технологии Fast Ethernet также не отличаются от форматов кадров технологий простого Ethernet. Все времена передачи кадров Fast Ethernet в 10 раз меньше соответствующих времен технологии простого Ethernet:
битовый интервал составляет 10 нс вместо 100 нс;
межкадровый интервал (IPG) - 0,96 мкс вместо 9,6 мкс.
Спецификации физического уровня. Для технологии Fast Ethernet разработаны различные варианты физического уровня, отличающиеся не только типом кабеля и электрическими параметрами импульсов, как это сделано в технологии 10 Мбит/с Ethernet, но и способом кодирования сигналов и количеством используемых в кабеле проводников. Поэтому физический уровень Fast Ethernet имеет более сложную структуру, чем классический Ethernet (рис. 66).
Физический уровень состоит из трех подуровней:
уровень согласования (reconciliation sublayer);
независимый от среды интерфейс (Mil - Media Independent Interface);
устройство физического уровня (PHY - Physical Layer Device).
Рис. 66. Структура физического уровня Fast Ethernet
Устройство физического уровня PHY обеспечивает кодирование данных, поступающих от МАС-подуровня для передачи их по кабелю определенного типа, синхронизацию передаваемых по кабелю данных, а также прием и декодирование данных в узле-приемнике. Интерфейс MII поддерживает независимый от используемой физической среды способ обмена данными между МАС подуровнем и подуровнем PHY. Этот интерфейс аналогичен по назначению интерфейсу AUI классического Ethernet за исключением того, что интерфейс AUI располагался между подуровнем физического кодирования сигнала (для любых вариантов кабеля использовался одинаковый метод физического кодирования - манчестерский код) и подуровнем физического присоединения к среде, а интерфейс МII располагается между МАС-подуровнем и подуровнями кодирования сигнала, которых в стандарте Fast Ethernet три: FX, ТХ и Т4.
Подуровень согласования нужен для того, чтобы согласовать работу подуровня MAC с интерфейсом MII.
Существует два варианта реализации интерфейса МII; внутренний и внешний.
Физический уровень 100Base-FX - многомодовое оптоволокно. Физический уровень PHY ответственен за прием данных в параллельной форме от МАС -подуровня, трансляцию их в один (ТХ или FX) или три последовательных потока бит 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.
Между спецификациями PHY FX и PHY TX есть много общего, поэтому общие для двух спецификаций свойства будут даваться под обобщенным названием PHY FX/TX.
Структура физического уровня PHY FX включает в себя следующие подуровни;
• физического кодирования 4В/5В - PCS;
• физического присоединения РМА;
• зависимости от физической среды PMD.
Спецификация 100Base-FX определяет работу протокола Fast Ethernet пo многомодовому оптоволокну в полудуплексном и полнодуплексном режимах на основе схемы кодирования и передачи оптических сигналов. Каждый узел соединяется с сетью двумя оптическими волокнами, идущими от приемника (Rx) и от передатчика (Тх).
В технологии классического Ethernet для представления данных при передаче по кабелю используется манчестерское кодирование. В спецификацию PHY FX/TX без изменений перенесен метод кодирования 4В/5В. Напомним, что при этом методе каждые 4 бит данных МАС- подуровня (называемых символами) представляются 5 битами потенциального кода. Потенциальные коды обладают по сравнению с манчестерскими кодами более узкой полосой спектра сигнала, а, следовательно, предъявляют меньшие требования к полосе пропускания кабеля. Кроме того, кодом 4В/5В обеспечивается синхронизация приемника с передатчиком. Коды 4В/5В построены так, что гарантируют не более трех нулей подряд при любом сочетании бит в исходной информации.
Так как исходные биты МАС-подуровня должны передаваться со скоростью 100 Мбит/с, то наличие одного избыточного бита вынуждает передавать биты результирующего кода 4В/5В со скоростью 125 Мбит/с, т. е. межбитовое расстояние в устройстве РНY составляет 8 нс.
Поскольку из 32 возможных комбинаций кода 4В/5В для кодирования исходных данных нужно только 16, то остальные 16 комбинаций используются в служебных целях. Наличие служебных символов позволило применить 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.
Существование запрещенных комбинаций символов позволяет отбраковывать ошибочные символы, что повышает устойчивость работы сетей с PHY FX/TX. Для отделения кадра Ethernet от символов Idle используется комбинация символов Start Delimiter (пара символов JK), а после завершения кадра перед первым символом Idle вставляется символ Т.
После преобразования 4-битовых порций МАС-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 (NR2I и MLT-3 соответственно).
Физический уровень 100Base-TX - двухпарная витая пара. Основные отличия этого уровня от спецификации PHY FX состоят в использовании метода MLT-3 для передачи сигналов 5-битовых порций кода 4В/5В по витой паре и наличии функции автопереговоров (Auto-negotiation) для выбора режима работы порта. Метод MLT-3 использует потенциальные сигналы двух полярностей для представления 5-битовых порций информации.
Кроме применения метода MLT-3, спецификация PHY TX отличается от спецификации РНY FX тем, что в ней предусмотрена пара скрэмблер/дескрэмблер (scrambler/descrambler) c целью снижения электромагнитного излучения кабеля. Скрэмблер принимает 5-битовые порции данных от подуровня PCS, выполняющего кодирование 4В/5В, и кодирует сигналы перед передачей на подуровень MLT-3 таким образом, чтобы равномерно распределить энергию сигнала по всему частотному спектру. Это уменьшает электромагнитное излучение кабеля.
Спецификации PHY TX и PHY T4 поддерживают функцию Auto-negotiation, с помощью которой два взаимодействующих устройства PHY могут автоматически выбрать наиболее эффективный режим работы.
В настоящее время определено 5 различных режимов работы, которые могут поддерживать устройства PHY TX или PHY T4 на витых парах:
10Base-T (2 пары категории 3);
10Base-T full-duplex (2 пары категории 3);
100Base-TX (2 пары категории 5 (или Type 1A STP);
100Base-TX fall-duplex (2 пары категории 5 (или Type 1A STP);
100Base-T4 (4 пары категории 3).
Режим 10Base-T имеет самый низкий приоритет при переговорном процессе, а режим 100Base-T4 - самый высокий. Переговорный процесс происходит при включении питания устройства или может быть инициирован в любой момент модулем управления.
Узлы, поддерживающие спецификации PHY FX и PHY TX, могут работать в полнодуплексном режиме (full-duplex mode). В этом режиме не используется метод доступа к среде CSMA/CD и отсутствует понятие коллизий - каждый узел одновременно передает и принимает кадры данных по каналам Тх и Rx. Полнодуплексная работа возможна только при соединении сетевого адаптера с коммутатором или же при непосредственном соединении коммутаторов.
При полнодуплексной работе стандарты 100Base-TX и 100Base-FX обеспечивают скорость обмена данными между узлами 200 Мбит/с.
Физический уровень 100Base-T4 - четырехпарная витая пара. Спецификация PHY T4 была разработана для возможности использования для высокоскоростного Ethernet имеющуюся проводку на витой паре категории 3. Чтобы повысить общую пропускную способность за счет одновременной передачи потоков бит по нескольким витым парам эта спецификация использует все 4 пары кабеля.
Вместо кодирования 4В/5В в этом методе используется кодирование 8В/6Т. Каждые 8 бит информации МАС-уровня кодируются шестью троичными цифрами (ternary symbols), т. е. цифрами, имеющими три состояния. Каждая троичная цифра имеет длительность 40 нс. Группа из 6 троичных цифр затем передается на одну из трех передающих витых пар, независимо и последовательно. Четвертая пара используется для прослушивания несущей частоты в целях обнаружения коллизии. Скорость передачи данных по каждой из трех передающих пар равна 33,3 Мбит/с, следовательно общая скорость протокола 100Base-T4 составляет 100 Мбит/с.
Правила построения сегментов сети по технологии Fast Ethernet
Технология Fast Ethernet, как и все некоаксиальные варианты 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, соединяющих DTE с 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.
Ограничения длин сегментов DTE-DTE. 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 IЕЕЕ 802.3u определяет максимальную длину сегментов DTE-DTE:
100Base-TX (кабельCategory 5 UTF)................................100м
100Base-FX (многомодовое волокно 62,5/125 мкм)......412м (полудуплекс)
2 км (полный дуплекс)
100Base-T4 (кабельCategory 3, 4 или 5 UTP).....................100м
Ограничения, связанные с соединениями с повторителями. Повторители Fast Ethernet делятся на два класса.
Повторители класса I поддерживают все типы систем кодирования физического уровня: 100Base-TX/FX или 100Base-T4.
Повторители класса II поддерживают только один тип системы кодирования физического уровня - 100Base-TX/FX или 100Base-T4.
В одном домене коллизий допускается наличие только одного повторителя класса I. Это связано с тем, что такой повторитель вносит большую задержку при распространении сигналов из-за необходимости трансляции различных систем сигнализации.
Повторители класса II в домене коллизий соединяются между собой кабелем не длиннее 5 м, а их число не превышает 2.
Небольшое количество повторителей Fast Ethernet не является серьезным препятствием при построении сетей. Во-первых, наличие стековых повторителей снимает проблемы ограниченного числа портов: все каскадируемые повторители представляют собой один повторитель с достаточным числом портов - до нескольких сотен. Во-вторых, применение коммутаторов и маршрутизаторов делит сеть на несколько доменов коллизий с небольшим числом станций в каждом.
В табл. 3.3 сведены правила построения сети на основе повторителей класса I.
Таблица 3.3. Правила построения сети на основе повторителей класса I
Fast Ethernet следует применять в организациях и частях сетей, где до этого широко применялся простой Ethernet, но сегодняшние условия или же ближайшие перспективы требуют в этих частях сетей более высокой пропускной способности. Однако технология Fast Ethernet кроме положительных свойств, унаследовала и недостатки технологии Ethernet:
• большие задержки доступа к среде при коэффициенте использования среды выше 30...40 %, являющиеся следствием применения алгоритма доступа CSMA/CD;
• небольшие расстояния между узлами даже при использования оптоволокна - следствие метода обнаружения коллизий;
• отсутствие определения избыточных связей в стандарте и отсутствие поддержки приоритетного трафика приложений реального времени.
Технология Gigabit Ethernet
Основная идея разработчиков стандарта 802.3z Gigabit Ethernet состоит в максимальном сохранении идей классической технологии Ethernet при достижении битовой скорости в 1000 Мбит/с.
Gigabit Ethernet, также как и его менее скоростные предшественники, на уровне протокола не поддерживает:
качество обслуживания;
избыточные связи;
тестирование работоспособности узлов и оборудования (в последнем случае - за исключением тестирования связи порт-порт, как это делается в Ethernet 10Base-T и 10Base-F и Fast Ethernet).
В технологии Gigabit Ethernet по сравнению с технологиями Ethernet и Fast Ethernet:
• сохраняются все форматы кадров Ethernet;
• сохраняется полудуплексная версия протокола, поддерживающая метод доступа CSMA/CD, и полнодуплексная версия, работающая с коммутаторами;
• поддерживаются все основные виды кабелей, используемых в Ethernet и Fast Ethernet: волоконно-оптический, витая пара категории 5 и коаксиальный кабель.
На рис. 67 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 - так, с одной стороны, для стандартов 1000Base-LX/SX/CX используется кодирование 8В/10В, а с другой стороны, для стандарта 1000Base-T используется специальный расширенный линейный код ТХ/Т2. Функцию кодирования выполняет подуровень кодирования PCS, размещенный ниже средонезависимого интерфейса GМII (Gigabit Media Independent Interface).
Интерфейс GMII. Он обеспечивает взаимодействие между уровнем MAC и физическим уровнем, является расширением интерфейса МII и может поддерживать скорости 10, 100 и 1000 Мбит/с; имеет отдельные 8-разрядные приемник и передатчик и может поддерживать полудуплексный и дуплексный режимы. Кроме этого, GMII интерфейс имеет одну сигнальную цепь, обеспечивающую синхронизацию, две сигнальных цепи состояния линии: первая указывает наличие несущей, а вторая - отсутствие коллизий, а также несколько других сигнальных цепей и питание. Трансиверный модуль, охватывающий физический уровень и обеспечивающий один из физических средозависимых интерфейсов, может подключаться, например, к коммутатору Gigabit Ethernet посредством GMII интерфейса.
Рнс. 67. Структура уровней стандарта Gigabit Ethernet
Подуровень физического кодирования PCS. При подключении интерфейсов группы 1000Base-X подуровень PCS использует блочное избыточное кодирование 8В/10В. В подуровне PCS каждые 8 входных битов, предназначенных для передачи на удаленный узел, преобразовываются в 10-битные символы. Кроме этого, в выходном последовательном потоке присутствуют специальные контрольные 10-битные символы, используемые, например, для расширения носителя (дополняют кадр Gigabit Ethernet до его минимального размера 512 байт).
При подключении интерфейса 1000Base-T подуровень PCS осуществляет специальное помехоустойчивое кодирование для обеспечения передачи по витой паре UTP Cat.5 на расстояние до 100 м – это линейный код ТХ/Т2, разработанный компанией Level One Communications.
Два сигнала состояния линии - наличие несущей и отсутствие коллизий - генерируются этим подуровнем.
Подуровни РМА и PMD. Физический уровень Gigabit Ethernet использует несколько интерфейсов, включая традиционную витую пару категории 5, а также многомодовое и одномодовое волокна.
Подуровень РМА преобразует параллельный поток символов от PCS в последовательный поток, и выполняет обратное преобразование (распараллеливание) входящего последовательного потока от PMD. Подуровень PMD определяет оптические/электрические характеристики физических сигналов для разных сред. Всего определены 4 типа физических интерфейсов среды (рис. 68), которые отражены в спецификациях стандарта 802.3z (1000Base-X) и 802.3 ab (1000Base-T).
Рис. 68. Физические интерфейсы стандарта Gigabit Ethernet
1000Base-X основывается на стандарте физического уровня Fibre Channel - технологии взаимодействия рабочих станций, суперкомпьютеров, устройств хранения и периферийных узлов. Fibre Channel имеет 4-уровневую архитектуру. Два нижних уровня FC-0 (интерфейсы и среда) и FC-1 (кодирование/декодирование) перенесены в Gigabit Ethernet. Поскольку Fibre Channel является проверенной технологией, то это значительно сократило время на разработку оригинального стандарта Gigabit Ethernet.
Блочный код 8В/10В аналогичен коду 4В/5В, принятому в стандарте FDDI. Однако код 4В/5В не применяется в Fibre Channel, потому что он не обеспечивает баланса по постоянному току. При использовании кода 8В/10В полностью отсутствует дрейф постоянной составляющей. Отсутствие баланса потенциально может привести к нагреванию лазерных диодов, зависящему от передаваемых данных, что может быть причиной дополнительных ошибок при высоких скоростях передачи.
Спецификация 1000Base-X подразделяется на три физических интерфейса:
• 1000Base-SX - определяет лазеры с допустимой длиной излучения в диапазоне 770...860 нм, с мощностью излучения передатчика от -10 до 0 дБм, при отношении ON/OFF (есть сигнал / нет сигнала) не менее 9 дБ. Чувствительность приемника составляет 17 дБм, его насыщение - 0 дБм;
• 1000Base-LX - определяет лазеры с допустимой длиной излучения в диапазоне 1270... 1355 нм, с мощностью излучения передатчика от-13,5 до -3 дБм, при отношении ON/OFF не менее 9 дБ. Чувствительность приемника составляет 19 дБм, его насыщение -3 дБм;
• 1000Base-CX - экранированная витая пара (STP «twinax») на короткие расстояния.
Поддерживаемые расстояния для стандартов 1000Base-X приведены в табл. 3.4.
При кодировании кодом 8В/10В битовая скорость в оптической линии составляет 1250 бит/с. Это означает, что полоса пропускания участка кабеля допустимой длины должна превышать 625 МГц. Из таблицы 3.4 следует, что этот критерий для строчек 2-6 выполняется. Из-за большой скорости передачи Gigabit Ethernet следует быть внимательным при построении протяженных сегментов. Безусловно, предпочтение отдается одномодовому волокну. При этом характеристики оптических приемопередатчиков могут быть значительно выше. Например, компания NBase выпускает коммутаторы с портами Gigabit Ethernet, обеспечивающими расстояния до 40 км по одномодовому волокну без ретрансляции (используются узкоспектральные DFB-лазеры, работающие на длине волны 1550нм).
* Все расстояния, за исключением последнего (25 м), предполагают использование дуплексного режима.
** Большее расстояние может обеспечивать оборудование некоторых производителей, оптические сегменты без промежуточных ретрансляторов/усилителей могут достигать 100 км.
*** Может потребоваться специальный переходной шнур.
Технология Gigabit Ethernet для передачи по неэкранированной витой паре категории 5 на расстояния до 100 м использует все четыре пары медного кабеля. Скорость передачи по одной паре составляет 250 Мбит/с. Влияние ближних и дальних переходных помех от трех соседних витых пар на данную пару в четырехпарном кабеле требует разработки специальной скрэмблированной помехоустойчивой передачи, интеллектуального узла распознавания и восстановления сигнала на приеме.
Одним из методов физического кодирования является 5-уровневое импульсно-амплитудное кодирование РАМ-5. Идея его заключается в следующем.
Для кодирования данных код РАМ-5 использует 5 уровней потенциала: -2, -1, 0, +1, +2. Поэтому за один такт по одной паре передается 2,322 бит информации. При этом если передавать 8 бит за такт (по 4 парам), то выдерживается требуемая скорость передачи в 1000 Мбит/с. Пятый уровень добавлен для создания избыточности кода. Так как код РАМ-5 содержит 54 = 625 комбинаций и если передавать за один такт по всем четырем парам 8 бит данных, то для этого требуется всего 28 = 256 комбинаций, что дает дополнительный резерв 6 дБ в соотношении сигнал/шум. Оставшиеся комбинации приемник может использовать для контроля принимаемой информации и выделения правильных комбинаций на фоне шума. Код РАМ-5 на тактовой частоте 125 МГц укладывается в полосу 100 МГц кабеля категории 5.
Подуровень MAC стандарта Gigabit Ethernet использует тот же самый протокол передачи CSMA/CD, что и Ethernet и Fast Ethernet. Основные ограничения на максимальную длину сегмента (или коллизионного домена) определяются этим протоколом.
В стандарте Ethernet IEEE 802.3 принят минимальный размер кадра 64 байт. Именно значение минимального размера кадра определяет максимальное допустимое расстояние между станциями (диаметр коллизионного домена). Время, в течение которого станция передает такой кадр (время канала) равно 512 битовым интервалам (ВТ) или 51,2 мкс. Максимальная длина сети Ethernet определяется из условия разрешения коллизий, а именно временем, за которое сигнал доходит до удаленного узла и возвращается обратно, не должно превышать 512 битовых интервала (без учета преамбулы).
При переходе от Ethernet к Fast Ethernet скорость передачи возрастает, а время трансляции кадра длиной 64 байт соответственно сокращается, оно равно 512 ВТ или 5,12 мкс (в Fast Ethernet 1 ВТ = 0,01 мкс). Для того чтобы можно было обнаруживать все коллизии до конца передачи кадра, необходимо выполнение одного из условий:
сохранить прежнюю максимальную длину сегмента, но увеличить время канала (и следовательно, увеличить минимальную длину кадра);
сохранить время канала (прежний размер кадра), но уменьшить максимальную длину сегмента.
В Fast Ethernet сохранен такой же минимальный размер кадра, как в Ethernet. Это обеспечило совместимость, но привело к значительному уменьшению диаметра коллизионного домена.
В силу преемственности стандарт Gigabit Ethernet должен поддерживать те же минимальный и максимальный размеры кадра, которые приняты в Ethernet и Fast Ethernet. Но поскольку скорость передачи возрастает, то, соответственно, уменьшается и время передачи пакета аналогичной длины. При сохранении прежней минимальной длины кадра это привело бы к уменьшению диаметра сети до 20 м, что мало пригодно. Поэтому при разработке стандарта Gigabit Ethernet было увеличено время канала до 512 байтовых интервалов, что в 8 раз превосходит время канала Ethernet и Fast Ethernet. Чтобы поддержать совместимость со стандартами Ethernet и Fast Ethernet, минимальный размер кадра не увеличили, а добавили к нему дополнительное поле, называемое расширением носителя (carrier extension). Символы в дополнительном поле обычно не несут служебной информации, но они заполняют канал и увеличивают «коллизионное окно». В результате коллизия будет регистрироваться всеми станциями при большем диаметре коллизионного домена. Если станция желает передать короткий (менее 512 байт) кадр, то при передаче добавляется это поле (расширение носителя), дополняющее кадр до 512 байт. Поле контрольной суммы вычисляется только для оригинального кадра и не распространяется на поле расширения. При приеме кадра поле расширения отбрасывается, и уровень LLC не знает о нем. Если размер кадра равен или превосходит 512 байт, то поле расширения носителя отсутствует. Расширение носителя - это наиболее естественное решение, которое позволило сохранить совместимость со стандартом Fast Ethernet и такой же диаметр коллизионного домена, но оно привело к излишней трате полосы пропускания. До 448 байт (512 - 64) может расходоваться вхолостую при передаче короткого кадра. На стадии разработки стандарта Gigabit Ethernet компанией NBase Communications было внесено предложение по модернизации стандарта. Эта модернизация, получившая название пакетная перегруженность (packet bursting), позволяет эффективней использовать поле расширения. Если у станции/коммутатора имеется несколько небольших кадров для отправки, то первый кадр дополняется полем расширения носителя до 512 байт и отправляется. Остальные кадры отправляются вслед с минимальным межкадровым интервалом в 96 бит, с одним важным исключением - межкадровый интервал заполняется символами расширения. Таким образом, между посылками коротких оригинальных кадров в среде продолжают передаваться сигналы и никакое другое устройство сети не может вклиниться в передачу. Подобное пристраивание кадров может происходить до тех пор, пока полное число переданных байт не превысит 1518. Пакетная перегруженность уменьшает вероятность образования коллизий, что, безусловно, увеличивает производительность сети, особенно при больших нагрузках.
Технология l00VG-AnyLAN
В качестве альтернативы технологии Fast Ethernet, фирмы AT&T и HP выдвинули проект новой технологии со скоростью передачи данных 100 Мбит/с - 100Base-VG. В этом проекте было предложено усовершенствовать метод доступа с учетом потребности мультимедийных приложений и при этом сохранить совместимость формата пакета с форматом пакета сетей 802.3. В сентябре 1993 г. по инициативе фирм IBM и HP был образован комитет IЕЕ 802.12, который занялся стандартизацией новой технологии. Проект был расширен за счет поддержки в одной сети кадров не только формата Ethernet, но и формата Token Ring. В результате новая технология получила название l00VG-AnyLAN, т. е. технология для любых сетей (Any LAN - любые сети), имея в виду, что в локальных сетях технологии Ethernet и Token Ring используются в подавляющем количестве узлов. В 1995 г. технология l00VG-AnyLAN получила статус стандарта IЕЕЕ 802.12.
В технологии l00VG-AnyLAN определены новый метод доступа Demand Priority и новая схема квартетного кодирования Quartet Coding, использующая избыточный код 5В/6В.
Метод доступа Demand Priority основан на передаче концентратору функций арбитра, решающего проблему доступа к разделяемой среде. Метод Demand Priority повышает пропускную способность сети за счет введения детерминированного доступа к общей среде, использующего два уровня приоритетов: низкий - для обычных приложений и высокий - для мультимедийных.
Структура сети l00VG-AnyLAN. Сеть l00VG-AnyLAN всегда включает центральный концентратор, называемый концентратором уровня 1 или корневым концентратором (рисунок 69). Корневой концентратор имеет связи с каждым узлом сети, образуя топологию «звезда». Он представляет собой интеллектуальный центральный контроллер, который управляет доступом к сети, постоянно выполняя цикл кругового сканирования своих портов и проверяя наличие запросов на передачу кадров от присоединенных к ним узлов. Концентратор принимает кадр от узла, выдавшего запрос, и передает его только через тот порт, к которому присоединен узел с адресом, совпадающим с адресом назначения, указанным в кадре. -
Рис. 69. Структура сети l00VG-AnyLAN
Каждый концентратор может быть сконфигурирован на поддержку либо кадров 802.3 Ethernet, либо кадров 802.5 Token Ring. Все концентраторы, расположенные в одном и том же логическом сегменте (не разделенном мостами, коммутаторами или маршрутизаторами), должны быть сконфигурированы на поддержку кадров одного типа. Для соединения сетей l00VG-AnyLAN (рис. 69), использующих разные форматы кадров 802.3, необходим мост, коммутатор или маршрутизатор. Аналогичное устройство требуется и в том случае, когда сеть l00VG-AnyLAN соединяется с сетью FDDI или ATM.
Каждый концентратор имеет один «восходящий» (up-link) порт и N «нисходящих» портов (down-link), как это показано на рис. 70.
Восходящий порт работает как порт узла, но он зарезервирован для присоединения в качестве узла к концентратору более высокого уровня. Нисходящие порты служат для присоединения узлов, в том числе и концентраторов нижнего уровня. Каждый порт концентратора может быть сконфигурирован для работы в нормальном режиме или в режиме монитора. Порт, сконфигурированный для работы в нормальном режиме, передает только те кадры, которые предназначены узлу, подключенному к данному порту. Порт, сконфигурированный для работы в режиме монитора, передает все кадры, обрабатываемые концентратором. Такой порт может использоваться для подключения анализатора протоколов.
Узел представляет собой компьютер или коммуникационное устройство технологии l00VG-AnyLAN: мост, коммутатор, маршрутизатор или концент ратор. Концентраторы, подключаемые как узлы, называются концентраторами 2- и 3-го уровней. Разрешается образовывать до трех уровней иерархии концентраторов.
Рис. 70. Круговой опрос портов концентраторами сети 100VG-AnyLAN
Связь, соединяющая концентратор и узел, может быть образована либо 4 парами неэкранированной витой пары категорий 3,4 или 5 (4UTP Cat 3,4, 5), либо 2 парами неэкранированной витой пары категории 5 (2UTP Cat 5), либо 2 парами экранированной витой пары типа 1 (2STP Туре 1), либо 2 парами многомодового оптоволоконного кабеля.
Варианты кабельной системы можно использовать любые. Наибольшее распространение получил первый разработанный вариант 4UTP.
В табл. 3.5 приведены результаты сравнения этой технологии с технологиями 10Base-T и 100Base-T.
Структура стека протоколов технологии l00VG-AnyLAN согласуется с архитектурными моделями OSI/ISO и IЕЕ, в которых канальный уровень разделен на подуровни. Стек протоколов технологии lOOVG-AnyLAN состоит из подуровня доступа к среде (MAC — Media Access Control), подуровня, не зависящего от физической среды (PMI - Physical Media Independent) и подуровня, зависящего от физической среды (PMD - Physical Media Dependent).
Функции уровня MAC включают реализацию протокола доступа Demand Priority, подготовку линии связи и формирования кадра соответствующего формата.
Метод Demand Priority (приоритетный доступ по требованию) основан на том, что узел, которому нужно передать кадр по сети, передает запрос (требование) на выполнение этой операции концентратору. Каждый запрос может иметь либо низкий, либо высокий приоритеты. Высокий приоритет отводиться для трафика чувствительных к задержкам мультимедийных приложений.
Высокоприоритетные запросы всегда обслуживаются раньше низкоприоритетных. Требуемый уровень приоритета кадра устанавливается протоколами верхних уровней, не входящими в технологию l00VG-AnyLAN, например, Real Audio, и передается для отработки уровню MAC.
Как показано на рис. 70, концентратор уровня 1 постоянно сканирует запросы узлов, используя алгоритм кругового опроса (round-robin). Это сканирование позволяет концентратору определить, какие узлы требуют передачи кадров через сеть и каковы их приоритеты.
В течение одного цикла кругового сканирования каждому узлу разрешается передать один кадр данных через сеть. Концентраторы, присоединенные как узлы к концентраторам верхних уровней иерархии, также выполняют свои циклы сканирования и передают запрос на передачу кадров концентратору. Концентратор нижнего уровня с N портами имеет право передать N кадров в течение одного цикла опроса.
Каждый концентратор ведет отдельные очереди для низкоприоритетных и высокоприоритетных запросов. Низкоприоритетные запросы обслуживаются только до тех пор, пока не получен высокоприоритетный запрос. В этом случае текущая передача низкоприоритетного кадра завершается и обрабатывается высокоприоритетный запрос. Перед возвратом к обслуживанию низкоприоритетных кадров должны быть обслужены все высокоприоритетные запросы. Чтобы гарантировать доступ для низкоприоритетных запросов в периоды высокой интенсивности поступления высокоприоритетных запросов, вводится порог ожидания запроса. Если у какого-либо низкоприоритетного запроса время ожидания превышает этот порог, то ему присваивается высокий приоритет.
Функции подуровней.
Уровень MAC получает кадр от уровня LLC и добавляет к нему адрес узла-источника, дополняет поле данных байтами-заполнителями до минимально допустимого размера, если это требуется, а затем вычисляет контрольную сумму и помещает ее в соответствующее поле. После этого кадр передается на физический уровень.
Рис. 71. Функции подуровней PMI и PMD
Функции подуровня РМI. Функции, не зависящие от физической среды, представленные на рис. 71, включают квартетную канальную шифрацию, кодирование 5В/6В, добавление к кадру преамбулы, начального и конечного ограничителей и передачу кадра на подуровень PMD.
Процесс квартетного распределения по каналам состоит в последовательном делении байтов МАС-кадра на порции данных по 5 бит (квинтеты), а также в последовательном распределении этих порций между четырьмя каналами, как это показано на рис. 72.
Двухпарные спецификации физического уровня PMD используют схему мультиплексирования, преобразующую 4 канала в 2 или 1.
Шифрация данных состоит в случайном «перемешивании» квинтетов данных с целью исключения комбинаций из повторяющихся единиц или нулей. Перемешивание производится с помощью специальных устройств - скрэмблеров. Случайные наборы цифр уменьшают излучение радиоволн и взаимные наводки в кабеле.
Кодирование по схеме 5В/6В - это процесс отображения «перемешанных» квинтетов в заранее определенные 6-битовые коды. Этот процесс создает сбалансированные коды, содержащие равное количество единиц и нулей, что обеспечивает гарантированную синхронизацию приемника при изменениях входного сигнала.
Рис. 72. Распределение квинтетов по каналам
Кодирование 5В/6В обеспечивает также контроль за ошибками при передаче, так как некорректные квинтеты, содержащие больше трех единиц или больше трех нулей, легко обнаружить.
Преамбула, начальный и конечный ограничители добавляются в каждом канале для корректной передачи данных через сеть.
Функции подуровня PMD. Функции зависимого от физической среды уровня PMD включают: мультиплексирование каналов (только для двух витых пар или оптоволокна), копирование NRZ, операции передачи сигналов по среде и контроль статуса физической связи.
Напомним, что технология l00VG-AnyLAN поддерживает следующие типы физической среды:
• 4-парную неэкранированную витую пару;
• 2-парную неэкранированную витую пару;
• 2-парную экранированную витую пару;
• одномодовый или многомодовый оптоволоконный кабель.
Рассмотрим детали спецификации PMD для 4-парной неэкранированной витой пары.
Спецификация 4UTP, использующая 4-парную неэкранированную витую пару, использует тактовый генератор с частотой 30 МГц для передачи данных со скоростью 30 Мбит/с по каждому из четырех каналов, что в сумме составляет 120 Мбит/с кодированных данных. Приемник получает колированные данные со скоростью 30 Мбит/с по каждому каналу и преобразует их в поток исходных данных со скоростью 25 Мбит/с, что в результате дает пропускную способность в 100 Мбит/с. Такой метод представления данных в кабеле позволяет технологии l00VG-AnyLAN работать на голосовом кабеле (Voice-Grade) категории 3. Максимальная частота результирующего сигнала на кабеле не превышает 15 МГц, так как метод NRZ очень эффективен в отношении спектра сигналов. При тактовой частоте в 30 МГц частота 15 МГц генерируется только при передаче кодов 10101010, что является для спектра результирующего сигнала наихудшим случаем. При передаче других кодов частота сигнала будет ниже 15 МГц.
Операции передачи данных на 4-парном кабеле используют как полнодуплексный, так и полудуплексный режимы. Полнодуплексные операции применяют для одновременной передачи в двух направлениях (от узла к концентратору и от концентратора к узлу) сигнальной информации о состоянии линии.
Полудуплексные операции используются для передачи данных от концентратора узлу и от узла концентратору по всем четырем парам.
Технология Token Ring (802.5)