Информатика в техническом университете / Информатика в техническом университете. Телекоммуникации и сети

3. Принципы построения локальных сетей ЭВМ

Подуровень LLC (802.2)

Подуровень доступа к феде MAC

Согласование

(reconciliation)

Интерфейс МП

среда передачи

Рис. 3.8. Структура физического уровня Fast Ethernet

Форматы кадров технологии Fast Ethernet не отличаются от форматов кад­ ров технологий простого Ethernet. Все времена передачи кадров Fast Ethernet в 10 раз меньше соответствующих времен технологии простого Ethernet:

битовый интервал составляет 10 не вместо 100 не; межкадровый интервал (IPG) - 0,96 мкс вместо 9,6 мкс.

Спецификации физического уровня. Для технологии Fast Ethernet раз­ работаны различные варианты физического уровня, отличаюпщеся не только типом кабеля и электрическими параметрами импульсов, как это сделано в технологии 10 Мбит/с Ethernet, но и способом кодирования сигналов и количе­ ством используемых в кабеле проводников. Поэтому физический уровень Fast Ethernet имеет более сложную структуру, чем классический Ethernet (рис. 3.8).

Физический уровень состоит из трех подуровней: уровень согласования (reconciliation sublayer);

независимый от среды интерфейс (МП - Media Independent Interface); устройство физического уровня (PHY - Physical Layer Device). 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 деко-

190

3.2. Технологии локальных сетей

дирование данных в узле-приемнике. Интерфейс Mil поддерживает независи­ мый от используемой физической среды способ обмена данными между МАСподуровнем 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 коди­ рования - манчестерский код) и подуровнем физического присоединения к сре­ де, а интерфейс МП 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 поду­ ровня MAC с интерфейсом МП.

Интерфейс МП. Существует два варианта реализации интерфейса МП: внутренний и внешний. При внутреннем варианте микросхема, реализующая подуровни MAC и согласования, с помощью интерфейса МП соединяется с микросхемой трансивера внутри одного и того же конструктива, например, платы сетевого адаптера или модуля маршрутизатора. Микросхема трансивера реа­ лизует все функщш устройства PHY.

Внешний вариант соответствует случаю, когда трансивер вынесен в отдель­ ное устройство и соединен кабелем МП через разъем МП с микросхемой МАСподуровня (см. рис. 1.6). Разъем МП в отличие от разъема AUI имеет 40 кон­ тактов, максимальная длина кабеля МП составляет 1 м. Сигналы, передаваемые по интерфейсу МП, имеют амплитуду 5 В.

Физический уровень lOOBase-FX - многомодовое оптоволокно. Физи­ ческий уровень PHY ответственен за прием данных в параллельной форме от МАС-подуровня, транслящпо их в один (ТХ или FX) или три последовательных потока бит с возможностью побитной синхронизащш и передачу их через разъем на кабель.

Аналогично, на приемном узле уровень PITY' должен принимать сигналы по кабелю, определять моменты синхронизации бит, извлекать биты из физичес­ ких сигналов, преобразовывать их в параллельную форму и передавать поду­ ровню MAC.

Между спецификащмми PHY FX и PHY ТХ есть много общего, поэтому общие для двух спещ1фикащ1Й свойства будут даваться под обобщенным на­ званием PHY FX/TX.

Структура физического уровня PHY FX включает в себя следующие поду­ ровни:

•физического кодирования 4В/5В - PCS;

•физического присоединения РМА;

•зависимости от физической среды PMD.

Спещ1фикащ1я 100Base-FX определяет работу протокола Fast Ethernet по многомодовому оптоволокну в полудуплексном и полнодуплексном режимах на основе хорошо проверенной схемы кодирования и передачи оптических сиг­ налов, использующейся уже на протяжении ряда лет в стандарте FDDI. Как и

191

3.Принципы построения локальных сетей ЭВМ

встандарте FDDI, каждый узел соединяется с сетью двумя оптическими во­ локнами, идущими от приемника (Rx) и от передатчика (Где).

Втехнологии классического Ethernet для представления данных при пере­ даче по кабелю используется манчестерское кодирование. В спецификацию PHY FX/TX без изменений перенесен метод кодирования 4В/5В, определен­ ный в стандарте FDDI. При этом методе каждые 4 бит данных МАС-подуров- ня (называемых символами) представляются 5 битами потенциального кода. Потенциальные коды обладают по сравнению с манчестерскими кодами бо­ лее узкой полосой спектра сигнала, а, следовательно, предъявляют ме1п>шие требования к полосе пропускания кабеля. Кроме того, кодом 4В/5В обеспечи­ вается синхронизация приемника с передатчиком. Коды 4В/5В построены так, что гарантируют не более трех нулей подряд при любом сочетании бит в ис­ ходной информации.

Так как исходные биты МАС-подуровня должны передаваться со скорос­ тью 100 Мбит/с, то наличие одного избыточного бита вьшуждает передавать биты результирующего кода 4В/5В со скоростью 125 Мбит/с, т. е. межбитовое расстояние в устройстве PHY составляет 8 не.

Поскольку из 32 возможных комбинаций кода 4В/5В для кодирования исход­ ных данных нужно только 16, то остальные 16 комбинаций используются в слу­ жебных целях. Наличие служебных символов позволило применить в специфи­ кациях FX/TX схему непрерывного обмена сигналами между передатчиком и npneivfflHKOM и при свободном состоянии среды, что отличает их от специфика­ ции lOBase-T, когда незанятое состояние среды обозначается полным отсут­ ствием на ней импульсов информации. Для обозначения незанятого состояния среды используется служебный символ Idle (11111), который постоянно цирку­ лирует 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 отбраковы­ вать ошибочные символы, что повышает устойчивость работы сетей с PHY FX/TX. Для отделе1шя кадра Ethernet от символов Idle используется комбина­ ция символов Start Delimiter (пара символов Ж), 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 сигна­ лов в кабеле, соединяющем узлы сети. Спецификации PHY FX и PHY ТХ используют для этого различные методы физического кодирования (NRZI и MLT-3 соответственно). Эти же методы определены в стандарте FDDI для передачи сигналов по оптоволокну (спецификация PMD) и витой паре (специ­ фикация TP-PMD).

Физический уровень lOOBase-TX - двухпарная витая пара. Основные от­ личия 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

192

3.2. Технологии локальных сетей

наличии функции автопереговоров (Auto-negotiation) для выбора режима рабо­ ты порта. Метод MLT-3 использует потенциальные сигналы дЬух полярностей для представления 5-битовых порций информации.

Кроме применения метода MLT-3, спецификация PHY ТХ отличается от спецификации PHY FX тем, что в ней предусмотрена пара скрэмблер/дескрэмблер (scrambler/descrambler), как это определено в спецификации ANSI ТРPMD. Скрэмблер принимает 5-битовые порции данных от подуровня PCS, вы­ полняющего 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 излу­ чение кабеля.

Спецификации PHY ТХ и PHY Т4 поддерживают функцию Auto-negotiation, с помощью которой два взаимодействующих устройства PHY могут автома­ тически выбрать наиболее эффективный режим работы.

В настоящее время определено 5 различных режимов работы, которые мо­ гут поддерживать устройства PHY ТХ или PUY Т4 на витых парах:

lOBase-T (2 пары категории 3);

lOBase-T full-duplex (2 пары категории 3); 100Base-TX (2 пары категории 5 (или Туре 1А STP);

100Base-TX full-duplex (2 пары категории 5 (или Туре 1А STP); 100Base-T4 (4 пары категории 3).

Режим lOBase-T имеет самый низкий приоритет при переговорном процес­ се, а режим 100Base-T4 - самый высокий. Переговорный процесс происходит при включении питания устройства или может бьггь инициирован в любой мо­ мент модулем управления.

Узлы, поддерживающие спецификации PHY FX и PHY ТХ, могут работать в полнодуплексном режиме (full-duplex mode). В этом режиме не использует­ ся метод доступа к среде CSMA/CD и отсутствует понятие коллизий - каж­ дый узел одновременно передает и принимает кадры данных по каналам Тх и Rx. Полнодуплексная работа возможна только при соединении сетевого адап­ тера с коммутатором или же при непосредственном соединении коммутато­ ров.

При полнодуплексной работе стандарты 100Base-TX и 100Base-FX обеспе­ чивают скорость обмена данными между узлами 200 Мбит/с.

Физический уровень 100Base'T4 - четырехпарная витая пара. Специ­ фикация PHY Т4 была разработана для возможности использования для высо­ коскоростного Ethernet имеющуюся проводку на витой паре категории 3. Что­ бы 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 циф­ рами (ternary symbols), т. е. цифрами, имеющими три состояния. Каждая тро-

193

3. Принципы построения локальных сетей ЭВМ

ичная цифра имеет длительность 40 не. Группа из 6 троичных цифр затем пере­ дается на одну из трех передающих витых пар, независимо и последовательно. Четвертая пара используется для прослупшвания несущей частоты в целях обнаружения коллизии. Скорость передачи данных по каждой из трех передаю­ щих пар равна 33,3 Мбит/с, следовательно общая скорость протокола 100Base-T4 составляет 100 Мбит/с. В то же время из-за принятого способа кодирования скорость изменения сигнала на каждой паре равна всего 25 Мбод, что и позво­ ляет использовать витую пару категории 3.

Правила построения сегментов сети по технологии Fast Ethernet.

Технология Fast Ethernet, как и все некоаксиальные варианты Ethernet, рассчи­ тана на подключение конечных узлов (компьютеров с соответствующими се­ тевыми адаптерами) к многопортовым концеьгграторам-повторителям или ком­ мутаторам.

Правила корректного построения сегментов сетей Fast Ethernet включают:

•ограничения на максимальные длины сегментов, соединяющих DTE с DTE;

•ограничевмя на максимальные длины сегментов, соединяющих DTE с пор­ том 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: сете­ вой 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 повто­ рителя, образуя сеть звездообразной топологии.

Спецификация ШЕЕ 802.3w определяет максимальную длину сегментов

Ограничения, связанные с соединениями с повторителями. Повторите­ ли Fast Ethernet делятся на два класса.

Повторители класса I поддерживают все типы систем кодирования физи­ ческого уровня: lOOBase-TX/FXn 100Base-T4.

Повторители класса П поддерживают только один тип системы кодиро­ вания физического уровня- lOOBase-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 си­ стем сигнализации.

194

3.2. Технологии локальных сетей

Повторители класса II в домене коллизий соединяются между собой кабе­ лем не длиннее 5 м, а их число не превьппает 2.

Небольшое количество повторителей Fast Ethernet не является серьезным препятствием при построении сетей. Во-первых, наличие стековых повторите­ лей снимает проблемы ограниченного числа портов: все каскадируемые по­ вторители представляют собой один повторитель с достаточным числом портов - до нескольких сотен. Во-вторых, применение коммутаторов и марш­ рутизаторов 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 ближай­ шие перспективы требуют в этих частях сетей более высокой пропускной спо­ собности. Однако технология Fast Ethernet кроме положительных свойств, унас­ ледовала и недостатки технологии Ethernet:

•большие задержки доступа к среде при коэффициенте использоваюм сре­ ды вьппе 30...40 %, являющиеся следствием применения алгоритма доступа CSMA/CD;

•небольшие расстояния между узлами даже при использования оптоволок­ на - 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 дости­ жении битовой скорости в 1000 Мбит/с.

Gigabit Ethernet, так же как и его менее скоростные собратья, на уровне протокола не поддерживает:

качество обслуживания; избыточные связи;

195

3. Принципы построения локальных сетей ЭВМ

тестирование работоспособности узлов и оборудования (в последнем слу­ чае - за исключением тестирования связи порт-порт, как это делается в Ethernet lOBase-T и lOBase-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. 3.9 показана структура уровней Gigabit Ethernet. Как и в стандарте Fast Ethernet, в Gigabit Ethernet не существует универсальной схемы кодирова­ ния сигнала, которая была бы идеальной для всех физических интерфейсов - так, с одной стороны, для стандартов lOOOBase-LX/SX/CX используется коди­ рование 8В/10В, а с другой стороны, для стандарта lOOOBase-T используется спевд1альный расширенный линейный код ТХ/Т2. Фушщию кодирования вьшолняет подуровень кодирования PCS, размещенный ниже средонезависимого ин­ терфейса GMn (Gigabit Media Independent Interface).

Интерфейс GMII. Он обеспечивает взаимодействие между уровнем MAC и физическим уровнем, является расширением интерфейса МП и может под­ держивать скорости 10, 100 и 1000 Мбит/с; имеет отдельные 8-разрядные

Подуровень LLC (802.2)

Подуровень доступа к феде MAC

Согласование

(reconciliation)

Интерфейс GMII

PCS

Трансивер Gigabit РМА Ethernet

PMD

Ж

Разъемы

(Medium Dependent Interface)

Рис, 3.9. Структура уровней стандарта Gigabit Ethernet

196

3.2. Технологии локальных сетей

приемник и передатчик и может поддерживать полудуплексный и дуплексный режимы. Кроме этого, GMII интерфейс имеет одну сигнальную цепь, обеспе­ чивающую синхронизацию, две сигнальных цепи состоянрм линии: первая ука­ зывает наличие несущей, а вторая - отсутствие коллизий, а также несколько других сигнальных цепей и питание. Трансиверный модуль, охватывающий фи­ зический уровень и обеспечивающий один из физических средозависимых ин­ терфейсов, может подключаться, например, к коммутатору Gigabit Ethernet по­ средством GMII интерфейса.

Подуровень физического кодирования PCS, При подключении интерфей­ сов группы lOOOBase-X подуровень PCS использует блочное избыточное коди­ рование 8В/10В, заимствованное из стандарта ANSI ХЗТ11 Fibre Channel. 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 (до­ полняют кадр Gigabit Ethernet до его минимально размера 512 байт).

При подключении интерфейса lOOOBase-T подуровень PCS осуществляет специальное помехоустойчивое кодирование для обеспечения передачи по ви­ той паре иТР Cat.5 на расстояние до 100 м - линейный код ТХ/Т2, разработан­ ный компанией Level One Communications.

Два сигнала состояния линии - наличие несущей и отсутствие коллизий - ге­ нерируются этим подуровнем.

Подуровни РМА и PMD. Физический уровень Gigabit Ethernet использует несколько интерфейсов, включая традиционную витую пару категории 5, а так­ же многомодовое и одномодовое волокна.

Подуровень РМА преобразует параллельный поток символов от PCS в пос­ ледовательный поток, и вьшолняет обратное преобразование (распараллелива­ ние) входящего последовательного потока от PMD. Подуровень PMD опреде­ ляет оптические/электрические характеристики физических сигналов для разных сред. Всего определены 4 типа физических интерфейсов среды (рис. 3.10), ко­ торые отражены в спецификациях стандарта 802.3z (lOOOBase-X) и 802.ЗаЬ (lOOOBase-T).

Gigabit Ethernet

Рис. 3.10. Физические интерфейсы стандарта Gigabit Ethernet

197

3. Принципы построения локальных сетей ЭВМ

lOOOBase-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-O (интерфейсы и среда) и FC-l (кодирование/декодиро­ вание) перенесены в Gigabit Ethernet. Поскольку Fibre Channel является прове­ ренной технологией, то это значительно сократило время на разработку ориги­ нального 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 обеспечи­ вает баланса по постоянному току (хотя код 4В/5В не обеспечивает баланса по постоянному току, в стандарте FDDI предусмотрен специальный дополнитель­ ный узел, поддерживающий баланс по постоянному току с дрейфом в преде­ лах ±10 %. При использовании кода 8В/10В необходимость в таком узле отпа­ дает, и при этом полностью отсутствует дрейф постоянной составляющей). Отсутствие баланса потенциально может привести к нагреванию лазерных диодов, зависящему от передаваемых данных, что может быть причиной до­ полнительных ошибок при высоких скоростях передачи.

Спецификация lOOOBase-X подразделяется на три физических интерфейса:

• lOOOBase-SX - определяет лазеры с допустимой длиной излучения в диа­ пазоне 770...860 им, с моыщостью излучения передатчика от -10 до О дБм, при отношении ON/OFF (сигнал / нет сигнала) не менее 9 дБ. Чувствительность приемника составляет 17 дБм, его насьпцение - О дБм;

•lOOOBase-LX - определяет лазеры с допустимой длиной излучения в диа­ пазоне 1270... 1355 им, с мощностью излучения передатчика от-13,5 до -3 дБм, при отношении ON/OFF (есть сигнал / нет сигнала) не менее 9 дБ. Чувстви­ тельность приемника составляет 19 дБм, его насьпцение -3 дБм;

•lOOOBase-CX - экранированная витая пара (STP «twinax») на короткие рас­ стояния.

Поддерживаемые расстояния для стандартов lOOOBase-X приведены в табл. 3.4.

При кодировании кодом 8В/10В битовая скорость в оптической линии со­ ставляет 1250 бит/с. Это означает, что полоса пропускания участка кабеля допустимой длины должна превьппать 625 МГц. Из табл. 3.4 следует, что этот критерий для строчек 2-6 вьшолняется. Из-за большой скорости передачи Gigabit Ethernet следует быть внимательным при построении протяженных сегмен­ тов. Безусловно, предпочтение отдается одномодовому волокну. При этом ха­ рактеристики оптических приемопередатчиков могут быть значительно вьппе. Например, компания NBase вьпхускает коммутаторы с портами Gigabit Ethernet, обеспечивающими расстояния до 40 км по одномодовому волокну без ретран­ сляции (используются узкоспектральные DFB-лазеры, работающие на длине волны 1550 им).

198

3.2. Технологии локальных сетей

Таблица 3.4. Поддерживаемые расстояния для стандартоБ1000Ва$е-Х

*Все расстояния, за исключением последнего (25 м), предполагают использование дуплекс­ ного режима.

**Большее расстояние может обеспечивать оборудование некоторых производителей, опти­ ческие 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 расстояршя до 100 м использует все четыре пары медного кабе­ ля. 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 по­ мехоустойчивой передачи, интеллектуального узла распознавания и восстанов­ ления сигнала на приеме.

Одним из методов физического кодирования является 5-уровневое импуль- сно-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 инфор­ мации. При этом если передавать 8 бит за такт (по 4 парам), то выдерживает­ ся требуемая скорость передачи в 1000 Мбит/с. Пятый уровень добавлен для создания избыточности кода. Так как код РАМ-5 содержит 5"* = 625 комбина­ ций и если передавать за один такт по всем четырем парам 8 бит данньгх:, то для этого требуется всего 2* = 256 комбинаций, что дает дополнительный ре­ зерв 6 дБ в соотношении сигнал/шум. Оставшиеся комбинации приемник мо­ жет использовать для контроля принимаемой информации и выделения пра­ вильных 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 про­ токол передачи CSMA/CD, что и Ethernet и Fast Ethernet. Основные ограниче­ ния на максимальную длину сегмента (или коллизионного домена) определя­ ются этим протоколом.

В стандарте Ethernet ШЕЕ 802.3 принят минимальный размер кадра 64 байт. Именно значение минимального размера кадра определяет максимальное допус-

199