Лекции по сетям ЭВМ2 / N8

Высокоскоростная технология Gigabit Ethernet.

Общая характеристика.

Институт IEEE в 1995 г. начал разработку, а в 1996 г. её закончил, сети на 1000 Мбит/сек. В качестве исходного материала была использована технология Fiber Channel с логическим кодированием 8B/10B. Стандарт 802.3z был принят в июне 1998 г. Витая пара – была продолжена и поручена комитету 802.3ab (категории 5 с полосой пропускания 100 МГц). Основная идея разработки – сохранить классический Ethernet: форматы кадров, полудуплексный протокол CSMA/CD, полнодуплексный протокол, поддерживать все виды кабелей (в-о кабели, витая пара категории 5 и коаксиал). Но в физический уровень пришлось внести некоторые изменения. При этом пришлось решить три труднорешаемые задачи:

• Обеспечение диаметра сети при полнодуплексном режиме.

• Достижение битовой скорости 1 Гбит/сек на витой паре.

• Разработка специальных методов кодирования для достижения высокой скорости.

Обеспечение диаметра сети 200 м при полудуплексном режиме CSMA/CD.

Для этого принимаются естественные меры – кадр минимальной длины увеличен с 64 байт до 512 байт. 4096 bt (битовых интервалов) дают 200 м при использовании 1 повторителя. Таким образом, сетевой адаптер при передаче в кабель должен дополнить кадр 512 – 64 = 448 байт. Extension (расширение) – это поле заполняется запрещёнными кодами 8B/10B. Допускается при передачи нескольких коротких кадров (квитанций) передавать подряд несколько кадров до величины 8192 байт. Этот режим назвали Burst Mode, называется монопольный пакетный режим Burst Length.

Спецификация среды 802.3z Gigabit Ethernet.

Определены следующие 4 вида физической среды:

• Одномодовое волокно 8/125; 9,5/125.

• Многомодовое волокно 62,5/125.

• Многомодовое волокно 50/125.

• Двойной коаксиал (волновое сопротивление  = 75 Ом).

Спецификации:

1000 BASE – SX (Short Wave)

Длины сегментов:

• Для полнодуплексного режима 62,5/125 = 220 м; 50/125 = 500 м.

• Для полудуплексного режима CSMA/CD = 100 м (от повторителя).

• Многомодовое волокно (лазерный диод  = 850 нм).

1000 BASE – LX (Long Wave)

Одномодовый (и многомодовый) кабель, полнодуплексный режим.

Длина сегмента:

• Для многомодового кабеля L = 550 м.

• Для одномодового кабеля L = 5000 м (лазерный диод  = 1300 нм).

1000 BASE – CX (Твинаксиальный кабель)

• Параллельно по двум парам в полудуплексном режиме ( = 75 Ом).

• Для полнодуплексного режима (max L  25 м для одной маленькой комнаты).

1000 BASE – TX (Gigabit Ethernet на витой паре категории 5, UTP-5, 5e)

Полоса пропускания каждой пары 100 МГц.

1. Для реализации скорости 1 Гбит/сек, решено организовать передачу параллельно по 4-м парам (побайтно по 4-м парам) 1000/4 = 250 Мбит/сек.

2. Для этого применено многоуровневое кодирование PAM-5 (log₂5  2,4 = 2,322).

Для распознавания коллизий и организации полнодуплексного режима комитет 802.3ab предложил использовать работу обоих передатчиков навстречу друг другу по каждой из 4-х пар с одним и тем же кодом PAM-5.

Схема развязки H – сигнальный процессор DSP (Digital Signal Processor).

Для отделения принимаемого сигнала, от своего собственного сигнала приёмник вычитает из результирующего сигнала (суммы) свой сигнал, для этого используется сигнальный процессор DSP.

Структурированная кабельная система (СКС) стандарт ISO 11801.

СКС – это набор коммуникационных элементов (кабелей, разъёмов, коннекторов, кросс-панелей, шкафов, а также методика их совместного использования). Это позволяет создавать регулярные и легко расширяемые системы. СКС – это конструктор, из которого проектировщик строит нужную конфигурацию сети. При построении сети предусматривается некоторая избыточность (рядовой случай 15-20%). Типичная иерархия СКС предусматривает следующие подсистемы:

• Горизонтальная подсистема (этаж).

• Вертикальная подсистема (здание).

• Подсистема кампуса (соединение зданий).

Хорошо структурированная СКС должна обеспечить работу без морального старения сети в течение 10-15 лет. Фирмы, которые выпускают СКС: Lucen Technologies, Siemens, MOD-TAP, Ай-Пи (IP) СКС.

Выбор типа кабелей для горизонтальных подсистем.

Разработку сети начинают с горизонтальной сети, используется витая пара STP, UTP, иногда коаксиальный кабель, а также беспроводные сети (ИНФ, РК и др.).

Вертикальные подсистемы используют.

Волоконно-оптический кабель (многомодовый), коаксиальный кабель (толстый), витая пара категории 5.

Для подсистем кампусов.

Волоконно-оптический кабель и в крайнем случае толстый коаксиальный кабель.

Классификация сетевых адаптеров.

Фирма 3COM:

1. Сетевые адаптеры первого поколения на логических микросхемах, изменение конфигурации с помощью перемычек, для каждого сетевого адаптера свой драйвер, память один кадр.

2. Метод многоуровневой буферизации, совмещение приёма и выдачи в сеть, БИС.

3. 3COM EtherLink III, ИМС ASIC, конвеерная обработка кадров (Parallel Tasking).

4. ASIC – специальная микросхема MAC уровня, все выше перечисленные функции плюс поддержка агента удалённого мониторинга RMON.

FastEtherLink XL 10/100

Концентраторы.

Предназначены для организации единой разделяемой среды в сетях. Современные сети используют концентраторы, подключающие витую пару от 8 до 72 портов.

Дополнительные свойства концентраторов.

Обычные концентраторы не имеют дополнительных функций, а некоторые концентраторы имеют дополнительные функции:

1. Отключение портов – отключение некорректно работающих портов для изоляции сети от неисправного порта – называется автосегментацией. Для FDDI это основная функция. Признак отключения в Ethernet отсутствие ответа на Link Test (16 мс).

2. Высокая интенсивность ошибок в кадре – когда превышают определённый порог, порт отключается или длина кадра больше максимальной или меньше минимальной 641500 байт.

3. Не оформлен заголовок кадра.

4. Поддержка резервных связей – в Ethernet дополнительная функция (древовидное соединение концентраторов) концентратор использует резервные связи, автоматически подключает резервные порты в случае отказа основных связей. Основные порты и резервные задаются администратором при конфигурировании концентраторов.

Защита от несанкционированного доступа.

Для защиты от подключения «чужого» ПК к какому-либо порту, концентратор имеет свойства конфигурирования портов. Для каждого порта указаны MAC-адреса штатно подключенного ПК, если подключается другой ПК, с другим MAC-адресом, то концентратор распознаёт несанкционированное включение и отключает этот порт, фиксируя сообщение о несанкционированном доступе.

Другой способ защиты – шифрация данных, методом случайного искажения, поля данных в пакетах, переданных всем портам, кроме порта назначения, обычно поле данных заполняется нулями для всех остальных, кроме порта назначения.

Для реализации всех дополнительных функций такой концентратор должен иметь средства для управления (конфигурирования). Специальная программа-агент, к которой можно обращаться по сети (то есть, агент должен иметь свой сетевой адрес в сети).

Многосегментные концентраторы.

В некоторых концентраторах большое количество портов 72 и более. Такое количество станций в единой разделяемой среде не допускается, в таких концентраторах существует несколько не связанных шин, к которым могут быть подключены порты в любом порядке. Подключением занимается агент управления концентратором, а само подключение осуществляет администратор со своей рабочей станции через сеть, используя сетевой адрес агента. Управление концентратором по протоколу SNMP (Simple Network Management Protocol). Существует две возможности подключения администратора: консольное по порту RS-232 (местное), более удобное подключение по сети (в этом случае агент должен иметь стандартный MAC-адрес и сетевой IP-адрес). Агент на концентраторе ведёт базу MIB (Management Information Base), в этой базе отображены все параметры концентратора. С помощью SNMP производится мониторинг каждого концентратора, определение состояния и управления им (концентратор имеет IP-адрес и MAC-адрес).

Конструктивное исполнение концентраторов.

Большое влияние оказывает область применения, различают концентраторы:

• Рабочих групп – с фиксированным количеством портов.

• Корпоративные модули – концентраторы на основе одного корпуса (шасси).

• Концентраторы отделов – могут иметь стековую структуру.

1. Концентраторы рабочих групп. Корпус с портами от 4 до 24. Единая одна разделяемая среда для передачи.

2. Модульные концентраторы – в виде отдельных модулей с фиксированным количеством портов, установленных на общем шасси (корпусе). Шасси имеют внутреннюю шину для объединения в единый концентратор. Часто такие сети многосегментные (много шин). Возможно применение разных технологий, встроен агент SNMP.

3. В корпоративных модульных концентраторах предусматриваются избыточные источники питания, система термостатирования, «горячее» модульное резервирование.

4. Стековые концентраторы – для сетей среднего размера. Выполняется в виде нескольких блоков, которые имеют специальные разъёмы или кабели для соединения друг с другом. При таком соединении стек рассматривается как единая разделяемая среда. Если каждый концентратор имеет несколько шин, то при установке в стек – объединяются. При соединении в стек – этот стек считается как один общий концентратор и при расчёте задержек учитывается один раз, количество в стеке может быть до 8 и более.

5. Модульно-стековые концентраторы. Каждый концентратор по модульному принципу (модули от 1 до 3 не более).

Ограничение сети построенной на общей разделяемой среде.

Сети на общей разделяемой среде не более  30 рабочих станций, при большем количестве растут коллизии.

Рекомендуемая загрузка сети:

Ethernet – 30%, 40% от максимального трафика (f = полезный трафик/общ трафик).

Token Ring – 60%.

FDDI – 70%.

Преимущества логической структуризации сети.

Вышеуказанные ограничения можно преодолеть, разделив сеть на несколько отдельных разделяемых сред. Объединив эти среды коммутаторами или маршрутизаторами. Эти устройства передают кадр с порта на порт после буферизации и анализа адреса назначения. Коммутаторы передают кадр на основе плоских адресов, канального уровня MAC, а маршрутизаторы на основе сетевых адресов IP. Сетевые адреса являются структурированными (отражают номер сети и номер узла в этой сети). Отсутствие структуризации в MAC-адресах ведёт к главному недостатку построенных на коммутаторах, они подвержены затоплению сети, ошибочным широковещательным трафиком, широковещательному шторму Broadcast Storm.