Вычислительных сетей

Ethernet - самая распространенная на сегодня технология локальных сетей. Она описана стандартами Ethernet DIX (совместная разработка компаний Digital, Intel, Xerox 1980 г.) и стандартами IEEE 802.3. В частности, стандарты IEEE посвящены Ethernet 10 Мбит/с, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet и 10G Ethernet. Последний принят в 2002 г.

В зависимости от типа физической среды передачи сигналов стандарт 802.3 выделяет различные спецификации: 10Base - 5, 10Base - 2, 10Base - Т, и 10Base - F. Число 10 в этих названиях означает номинальную скорость передачи данных - 10 Мбит/с, слово " Base" - единую базовую частоту передачи 10 МГц, последний символ указывает на тип кабеля. Так, цифра 5 означает коаксиал диаметром 0, 5 дюйма; цифра 2 - тоже коаксиал, но диаметром 0, 25 дюйма; Т - неэкранированная витая пара различных категорий; F - оптоволоконный кабель.

Для каждой спецификации стандартом определены не только типы кабелей, но и максимальные длины непрерывных сегментов кабелей, правила соединения сегментов в общую сеть для достижения максимальной протяженности, методы кодирования сигналов, способы согласования физического и канального уровней и т.д.

Для всех технологий являются общими метод доступа, форматы передаваемых пакетов (кадров), временные интервалы между ними и некоторые другие параметры.

Между собою технологии 10Base отличаются способами подключений к сетевому кабелю и правилами соединения сегментов в сеть. Так, в 10Base - 5 и 10Base - 2 подсоединить узел к сети можно с помощью игольчатого трансивера, а при объединении сегментов с использованием повторителей (при этом сохраняется единая среда доступа для всех узлов сети, она образует один домен коллизий) следует соблюдать правило 5 - 4 - 3. Это правило получило такое название по ограничениям стандарта: в сети используется не более 5 сегментов 10Base и, значит, не более 4 повторителей; при этом узлы сети могут быть подключены лишь к 3 сегментам. Получается, что ненагруженные сегменты между парами нагруженных узлами сети сегментов служат лишь для увеличения протяженности сети как удлинители.

В технологиях 10Base - Т и 10Base - F узлы подсоединяются кабелями к концентраторам (хабам), которые и образуют единую среду передачи сигналов - логическую общую шину, так как повторяют сигналы, пришедшие в один из портов, на всех остальных своих портах. Число подключенных узлов не превышает числа портов концентратора, а удалены узлы от концентратора не более, чем на 100 м в 10Base - Т (это определяется полосой пропускания витой пары) и до 2000 м в 10Base - F. Сами концентраторы могут соединяться как с помощью витой пары, так и оптоволоконным кабелем с учетом допустимых расстояний и правила стандарта 802.3 - между любой парой узлов не может размещаться более 4 хабов. На рис. 6.1. показан вариант сети, позволяющий достичь максимального числа узлов при соблюдении ограничений стандарта.

10Base - F

Узлы сети 10Base - T

Рис. 6.1. Иерархическая структура логической шины

Технология Fast Ethernet была стандартизована в 1995 г. как узаконенная унификация использования различных физических сред при 10-кратном увеличении скорости передачи. Это спецификации 100Base - TХ,

100Base - FX и 100Base - T4. В том числе: ТХ - для кабеля из двух витых пар категории 5, FX - для кабеля из двух многомодовых оптоволокон, Т4 - для кабеля из 4 витых пар категорий 3, 4, 5. Цена столь серьезного повышения скорости - ряд аппаратных и протокольных усложнений на физическом уровне (к счастью, они оказались довольно простыми). Это - введение специального независимого от физической среды интерфейса, применение специальных повторителей, изменение методов кодирования сигналов для передачи по сети. Так, в 100Base - TХ / FX принят метод кодирования 4В/5В, а в 100Вase - T4 - 8В/6Т.

Если в TX/FX параллельные линии предназначены для осуществления дуплекса, то в Т4 - 8 двоичных цифр заменяются 6-ю троичными, и каждая такая группа направляется циклически в одну из трех передающих пар независимо (четвертая пара предназначена для прослушивания занятости линии с целью обнаружения конфликта). При этом скорость передачи по каждой витой паре составляет лишь 33, 3 Мбит/с. Это и позволяет использовать витую пару низкой категории 3.

Стандарт для нескольких физических сред позволяет комбинировать типы сегментов в одной сети. Специальные повторители класса II поддерживают один метод кодирования: либо 4В/5В, либо 8В/6Т, а специальные повторители класса I - оба. Поэтому в одной сети допустима, например, композиция нескольких сегментов на витой паре с максимальной длиной сегмента до 100 м и одного сегмента на оптоволокне с максимальной длиной до 160 м при общей протяженности сети не более 260 м. Для композиции нескольких сегментов витой пары и нескольких сегментов на оптоволокне соответствующие длины - 100, 136 и 272 м.

Вскоре после освоения Fast Ethernet стали проявляться существенные ограничения: серверы, подключенные по каналу 100Base, перегружали магистрали сетей, работающие на скорости 100 Мбит/с. Появилась необходимость в следующем уровне иерархии скоростей. И в 1998 г. был принят стандарт 802.3z для экранированной витой пары и оптического волокна, а также 802.3ab для витой пары неэкранированной категории 5 под названием Gigabit Ethernet. Этот стандарт обеспечил очередное 10-кратное увеличение скорости передачи, поэтому его спецификации обозначаются как 1000Base. Естественно, возникшие новые проблемы потребовали новых инженерных решений. Так, для передачи по многомодовому оптоволокну предложено использовать излучатели двух длин волн: 850 нм (коротковолновый, тогда в наименовании технологии 1000Base - F пишется в конце буква S: 1000Base - FS) и 1300 нм (длинноволновый и, соответственно, 1000Base - FL). Для экранированной медной витой пары предназначена технология 1000Base - С. Сложнее всего было решить задачу передачи на такой большой скорости по неэкранированной витой паре, пусть даже самой высокой категории 5.

Выход был найден за счет применения для кодирования данных кода

РАМ 5, пятеричные цифры которого принимают значения -2; -1; 0; +1; +2. Это усложняет аппаратуру, но позволяет за один такт по одной паре передать log₂5 = 2, 32 бита информации. А поскольку код РАМ 5 имеет спектр уже, чем 100 Мгц при тактовой частоте 125 МГц, то по одной паре категории 5 можно без искажений передать 250 Мбит/с (125× 2, 32 = 290 > 250). Дальше уже легче: для передачи данных со скоростью 1000 Мбит/с следует осуществлять параллельную передачу по 4 витым парам одновременно, что и было реализовано, а стандарт определяет кабель с 4 неэкранированными парами категории 5.

В каждом такте передается не 2, 32× 4 = 9, 28 бит информации, а только 8 бит. Избыточные комбинации принятого метода кодирования (а их 5⁴ - 2⁸ = 369) используются для контроля принимаемой информации в случае появления запрещенных избыточных комбинаций и для служебных целей. Последние считаются разрешенными. Все это подробно изложено в стандарте 802.3ab.

Для наглядного представления и сравнительного анализа характеристик и спецификаций стандарта 802.3 они сведены в табл. 6.1.

Считаем необходимым еще раз обратить внимание на то, что каждое 10-кратное повышение скорости передачи по сети с сохранением метода доступа и основных характеристик кадра требовало усовершенствования аппаратуры (например, переход на повторители I и II классов) и некоторых изменений в протоколах транспортного уровня, связанных как с согласованием сигналов, так и с изменением метода кодирования сообщений перед преобразованием в сигналы для кабеля. Технологии Fast и Gigabit поддерживают полудуплексный и полнодуплексный режимы. Поэтому число линий связи (пар, оптоволокон) в кабелях возросло.

По табл. 6.1 легко проследить, как боролись разработчики Ethernet за повышение эффективности сети шинной топологии со случайным доступом. Но от основного недостатка - снижения эффективности с ростом нагрузки окончательно избавиться так и не удалось. Альтернативой применению метода случайного доступа с самого начала была разработка компании IBM 1970 г. Token Ring, а на ее основе - стандарт комитета IEEE 802.5 1985 г. В самой IBM сеть маркерного кольца до сих пор является самой популярной для локальных сетей.

Как уже отмечалось ранее, кольцевая топология с маркером относится к сетям с детерминированным доступом. Предельное время ожидания маркера для осуществления передачи не превышает произведения времени удержания маркера узлом на число узлов в кольце. Само же время удержания маркера передающим узлом настраивается при инициализации сети и обычно по умолчанию равно 10 мс.

Сети стандарта 802.5 работают на скорости 4 Мбит/с, но предусмотрена возможность переключения скорости на 16 Мбит/с. Такой рост обеспечивается введением специального алгоритма раннего освобождения маркера. Одна физическая сеть может работать только на одной скорости. Если в сети Token Ring 4 Мбит/с передающий узел пересылает маркер дальше по кольцу только после получения своего же сообщения с квитанцией получателя, то в сети Token Ring 16 Мбит/с передающий узел отправляет маркер вслед за своим сообщением. Это позволяет повысить эффективность использования сети до 80 %.

Стандарт Token Ring предусматривает организацию связей в сети как с помощью непосредственного соединения узлов друг с другом через повторители, так и образованием кольца с помощью концентраторов. Последние могут быть активными и пассивными, но для соединения концентраторов в общее кольцо используются специальные порты Ring-In и Ring-Out так, как показано на рис. 6.2.

Пассивные концентраторы обеспечивают только подсоединение своих портов к кольцу, активные - еще выполняют функцию повторителя, чем поддерживаются синхронизация сигналов и регенерация их параметров. Естественно, что активные концентраторы обслуживают узлы на больших удалениях, чем пассивные.

Узел сети

концен- концен-

тратор тратор

Повторитель

Узел сети

Рис. 6.2. Схема сети Token Ring

Узлы подсоединяются к концентраторам с помощью ответвительного кабеля, обычно экранированной витой пары. Длина ответвительного кабеля

зависит как от скорости передачи, так и от типа концентратора подсоединения.

Максимальные длины (в метрах) приведены в табл. 6.2. Существуют повторители и концентраторы Token Ring, поддерживающие неэкранированную витую пару и оптоволокно.

Таблица 6.2

Максимальные длины ответвительных кабелей, м

Для магистральных кабелей, образующих собственно кольцо, применяются неэкранированные витые пары высоких категорий или оптоволокно. Общая длина кольца может достигать 4000 м, а число узлов - 250.

Существует еще ряд технологий локальных сетей, комбинирующих организацию и доступ Ethernet и Token Ring. Так, в технологии ARCNet сочетаются шинная топология и маркерный метод доступа; в FDDI применено резервирование кольцевой топологии: в случае обрыва сети концы участка с местом обрыва переключаются на резервное внешнее кольцо, образуя единое кольцо большей длины; в 100VG - AnyLAN (эта альтернатива Fast Ethernet разработки фирм АТ& Т и НР) определен новый метод приоритетного доступа и введен избыточный код 5В/6В для кодирования ради поддержки кадров и формата Ethernet, и формата Token Ring (поэтому и " любая сеть" в названии).

Вопросы для самопроверки:

1. В чем сходства и различия технологий Ethernet 10Base и 100Base?

2. Каково назначение двух витых пар в 100Base - ТХ, двух оптоволокон в 100Base - FХ и четырех витых пар в 100Base - Т4?

3. Для чего применяется избыточное кодирование и в каком случае избыточность больше: при кодировании 4В/5В или 8В/10В?

4. Сравните методы кодирования 4В/5В и 8В/6Т для использования потенциального кода передачи сигналов. Какой из них предпочтительней?

5. Как обеспечивается скорость Gigabit по кабелю из неэкранированных витых пар?

6. В чем состоит алгоритм ускорения передач в маркерном кольце Token Ring?

7. Сравните достижимые границы эффективности сетей Ethernet и Token Ring. Когда и какая из них выше?

8. К чему приведет соединение концентраторов In - Out - Out - In?