Глава 2. Локальные вычислительные сети (ЛВС)
2.5 Схемы и оборудование сетей Ethernet
2.5.1 Стандарт 10Base-T
В этом разделе описаны технологии сетей с равноправным доступом (сети на хабах). В настоящее время эти технологии практически не применяются и приве- дены здесь с целью изложения процессов развития сетевых технологий.
Схема сети приведена на рисунке 2.13. Здесь компьютеры подключаются к хабу через сетевую карту — NIC (Network Interface Controller) и две пары многопарного неэкранированного кабеля типа UTP (Un-shielded Twisted Pair). На схеме TX —
выход передатчика, RX — вход приемника.
Рис. 2.13 – Схема ЛВС
Достоинства схемы 10Base-T:
удобство монтажа, поскольку он осуществляется по схеме
«звезда» с применением стандартных 8-контактных разъ- емов RJ-45;
повреждения кабеля не выводят из строя всю сеть;
повреждения легко обнаруживаются;
возможен плавный переход на технологию Fast Ethernet;
концентратор (хаб) является интеллектуальным устрой- ством, что позволяет ему обеспечивать в сети ряд допол- нительных функций, таких как ретрансляция кадров и об- наружение коллизий.
Рассмотрим функции и характеристики элементов подробней.
Сетевая карта:
сопрягает сеть с компьютером, преобразовывая параллельный код в после- довательный через шины ISA (8, 16 разрядов, скорость 64 Мбит/с), PCI (32,
64 разряда, скорость 2112 Мбит/с);
2.5 Схемы и оборудование сетей Ethernet33
кодирование и декодирование сигналов (Манчестер II и др.);
идентификация своего адреса в принимаемом пакете;
выявление коллизий;
выявление ошибок (подсчет контрольной суммы);
промежуточное хранение данных и служебной информации в буфере. Это позволяет возложить функции контроля над сетью на сетевую карту;
согласование скорости передачи данных от компьютера в сеть;
гальваническая развязка кабеля и устройства карты с помощью импульс- ного трансформатора или оптрона.
Кабель на витой пареСреди разнообразия кабелей с витыми парами наибольшее распространение получили кабели UTP категорий 3, 4, 5. В этих кабелях содержится 4 неэкрани- рованные скрученные пары проводов. Каждая пара имеет волновое сопротивление
100 Ом. Основное различие между категориями заключается в полосе пропускания частотной характеристики и допустимой длине сегмента (табл. 2.2).
Таблица 2.2 – Характеристики кабелей UTP
Тип кабеляХарактеристикиПолоса пропускания, МГцДлина сегмента, мUTP-3 15 100
UTP-4 20 120
UTP-5 100 150
UTP-6 (экранированная)
300 150
Наибольшей полосой пропускания и помехоустойчивостью обладает экрани- рованная витая пара (категории 6, 9). Из четырех пар для подключения к хабам и сетевым картам используются только две. Остальные пары свободны и могут быть применены для телефонии. В стандарте 10Base-T оговаривается максималь- ная длина сегмента — 100 м. Для максимальной длины допустимое затухание в ка- беле составляет 14 дБ на частоте 15 МГц и ослабление перекрестной помехи между соседними парами не менее 30 дБ на частоте 5 МГц и 23 дБ на частоте 15 МГц.
Концентратор обеспечивает следующие функции:
ретрансляция принимаемых сигналов на все другие порты с восстановле- нием амплитуды и формы сигнала (рис. 2.14);
обнаружение коллизий и передача сигнала «пробка» на все порты;
исправление ошибки «ложная несущая», когда пакет приходит без преам- булы, он выявляется и данный порт отключается;
исправление ситуации «множественная коллизия» — более 60 коллизий под- ряд.
Такой порт отключается, а потом включается снова;
исправление ситуации «затянувшаяся передача», когда сеанс длится более
4 миллисекунд.
Концентраторы Ethernet могут иметь от 8 до 72 портов.
34
Глава 2. Локальные вычислительные сети (ЛВС)
Рис. 2.14 – Ретрансляция сигналов в хабе
В ЛВС с большим числом станций, которых не должно быть больше чем 1024,
концентраторы могут включаться каскадно (см. рис. 2.15).
Рис. 2.15 – Каскадное включение хабов
При этом диаметр сети (максимальное расстояние между двумя компьютерами)
не должен превышать 500 м. Это требование связано с условием затухания сигнала,
и из него следует важное правило 4-х хабов: между двумя любыми компьютерами не должно находиться более четырех хабов. Это правило основывается на том, что длина сегмента не должна превышать 100 м, а диаметр сети 500 м.
2.5.2 Стандарт 10Base-FL
Использование ВОЛС дает следующие преимущества:
вследствие малого затухания существенное увеличение длины сегмента. Так, при многомодовом волокне она со- ставляет 2000 м. Для одномодового волокна она ограни- чивается только длиной домена коллизий, равной 2500 м.
Затухание ограничивает длину до 100 км;
повышение помехоустойчивости, так как электрические помехи и наводки отсутствуют, а искажения формы оп- тических импульсов на тактовых частотах в 10 МГц незна- чительны;
автоматическая гальваническая развязка между сетевой картой и концентратором за счет преобразования электри- ческого сигнала в оптический и обратно;
возможность перехода на более скоростные технологии
Fast Ethernet и Gigabit Ethernet.
Схема сети Fast Ethernet приведена на рисунке 2.16.
2.6 Производительность сети Ethernet35Рис. 2.16 –
Схема сети на ВОЛСЗдесь между сетевой картой и хабом включен оптический трансивер или кон- вертор, который электрические импульсы, поступающие от сетевой карты, преоб- разует в оптические, и наоборот. Между оптическими портами хаба и трансивера включена ВОЛС.
Требования к многомодовым оптическим кабелям, которые преимущественно применяются в Fast Ethernet: длина волны
λ
0
.85 мкм — ближний ИК диапазон,
потери в кабеле 4–5 дБ/км, потери в оптическом разъеме 0.5–2 дБ. Таким образом,
суммарные потери в оптическом сегменте не должны превышать 12.5 дБ.
2.5.3 Общие характеристики стандарта Ethernet
Номинальная пропускная способность — 10 Мбит/с.
Максимальное число станций — 1024, остальные характеристики приведены в таблице 2.3.
Таблица 2.3 – Характеристика сетей Ethernet
ХарактеристикиСтандарт10Base-T10Base-FКабель
Неэкранированная витая пара UTP
Многомодовое волокно — MM
Максимальное расстояние между узлами сети
500 м
2500 м
Максимальная длина сегмента
100 м
2000 м
Максимальное число хабов
4 4
2.6 Производительность сети Ethernet
При оценке производительности сети будем различать максимальную произ- водительность (пропускную способность) и реальную производительность обмена между двумя станциями.
1. Максимальная производительность реализуется при работе в сети только двух абонентов с максимально возможной скоростью.
Производительность снижается за счет:
служебной информации (заголовков),
IPG.
36Глава 2. Локальные вычислительные сети (ЛВС)Наибольшее влияние этих факторов проявляется для кадров минимальной дли- ны (72 байта), так как удельный вес полезной информации (46 байт) наименьший.
В этом случае число коротких кадров, передаваемых в секунду
nk1
72 8
96
10
7 14 880 кадров/с
.Пропускная способность находится только из учета информационных байтов в пакете
Cnk14 880 46 8 5
.48 Mбит/c
.Эффективность передачи
η
kcnkcn max
0
.548
.Для кадров максимальной длины (1500 байт)
ng1
1526 8
96
10
7 812 кадров/с
.Cng9
.76 Мбит/с, а
η
0
.976
.Таким образом, максимальная производительность для самых длинных кадров приближается к 100%.
2. Реальная производительность. При одновременно работающих станциях производительность вначале (при малом
N) делится между ними пропорционально.
С ростом нагрузки (объем передаваемой информации) вначале производительность растет линейно, а
затем начинают возникать коллизии, и рост реальной произво- дительности замедляется (рис. 2.17). При нагрузке сети 0.7–0.8 возникает коллапс сети. Она не передает информацию, а занимается только устранением коллизий.
Рис. 2.17 – Реальная производительность сети Ethernet
На практике достижение реальной производительности в 3–4 Мбит/с считается хорошим показателем.
2.7 Fast EthernetБыстрое развитие технологии Ethernet, рост числа пользователей, развитие при- кладных процессов, требующих передачи больших объемов информации (передача
2.7 Fast Ethernet37файлов, видео и т. п.), с одной стороны, и простота технологий, ее экономическая привлекательность — с другой, предопределили появление следующего более ско- ростного стандарта — Fast Ethernet со скоростью 100 Мбит/с (IEEE 802.3u).
Само присутствие в названии новой технологии слова Ethernet означает высо- кую преемственность.
Что осталось неизменным в Fast Ethernet?
1. Способ доступа —
CSMА/CD.
2. Форматы кадров.
3. Подуровни
MAC и
LLC.
4. Поскольку скорость передачи возросла в 10 раз, то в 10 раз уменьшилось значение биттайма
BT10 нсек и все остальные величины, связанные по времени. Наиболее серьезные ограничения касаются диаметра сети. По- скольку время двойного оборота сократилось до
5
.2 мкс, диаметр домена тоже уменьшился до 200 м.
5. Fast Ethernet также использует топологию «звезда» либо в полудуплексном режиме (с концентратором), либо в дуплексном режиме (с коммутатором).
Все изменения произошли на физическом уровне. Они вызваны тем, что при увеличении скорости передачи информации в 10 раз и сохранении длины сегмента
100 м надо компенсировать увеличившееся за счет расширения полосы частот затухание сигнала.
На физическом уровне различают четыре версии.
100Base-TX — наиболее популярная версия. Реализуется на витой паре UTP-5,
которая обеспечивает полосу пропускания 100 МГц, и поэтому для Fast Ethernet до- статочно двух пар проводов. Разъемы соответствуют стандарту 10Base-T, что дает нужную совместимость Ethernet
Fast Ethernet. В качестве линейного кода исполь- зовался МLТ-3, заимствованный из технологии FDDI. Код МLТ-3 — трехуровне- вый, усложненный вариант NRZ ЧПИ. При передаче «0» значение не меняется,
при передаче «1» значения меняются по цепочке
V, 0,
V, 0,
V (рис. 2.18).
Рис. 2.18 – Код МLТ-3
Этот код благодаря биполярному характеру сигнала и свойствам NRZ имеет меньшую ширину спектра.
Для логического кодирования применен код 4В/5В, который исключает на- личие большого количества «0», следующих подряд. Суть этого кода поясняется в таблице 2.4.
Поскольку число комбинаций выходного кода гораздо больше, то «лишние»
комбинации считают запрещенными, и их появление сигнализирует об ошибках.
Сочетание кодов МLТ-3 и 4В/5В, по
сравнению с манчестерским кодом, обеспечи- вает при равной пропускной способности меньшую полосу пропускания в 8
5 ра- за. Это объясняется тем, что для манчестерского кода длительность минимального
38
Глава 2. Локальные вычислительные сети (ЛВС)
импульса равна половине тактового интервала, в то время как для МLТ-3 они рав- ны (выигрыш в 2 раза). Применение кода 4В/5В уменьшает требуемую скорость в 5
4 раза
2
5
4 8
5
Таблица 2.4 – Пример кодирования 4В/5В
Входной сигнал
Выходной сигнал
0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1
100Base-T4 — эта версия может быть реализована даже на витой паре катего- рии 3 (UTP-3), несмотря на то, что частотный диапазон такого кабеля составляет всего 16 МГц. Для того, чтобы обеспечить скорость передачи 100 Мбит/с при такой полосе частот, применяют следующие меры.
Однонаправленная параллельная передача сразу по трем парам. При этом необ- ходимая скорость уменьшается до 33.3 Мбит/с.
Применение биполярного кода 8В/6Т, когда комбинация двоичного кода из
8 бит передается шестью символами, имеющими три значения: «+», «
», и 0.
Поскольку в выходном сигнале кодера длительность импульса возрастает в 8
6
раза, то требуемая пропускная способность при физической скорости 33.3 Мбит/с достигает 25 Мбит. Другой важной особенностью сигнала 8В/6Т является то, что его частотный спектр укладывается в полосу пропускания 16 МГц, что достаточно для кабеля UTP-3. Четвертая пара в кабеле UTP-3 используется для прослушивания сети. При появлении в ней сигнала при собственной передаче делается заключение о наличии коллизии.
Основным недостатком технологии 100Base-T4 является полудуплексный ре- жим работы, а ее применимость объясняется тем, что она обеспечивает самый простой переход со стандарта 10Base-T.
100Base-FX — это версия для многомодового волокна с длиной волны
λ
1.3 мкм. Здесь применяется логическое кодирование 4В/5В, как и в 100Base-TX,
и физический код NRZI. Передача и прием могут вестись как в полудуплексном,
так и в полнодуплексном режимах по двум волокнам. В случае полудуплексного режима размер сети ограничивается коллизиями — 412 м, а в режиме full duplex —
затуханием (2 км для многомодового волокна и 32 км для одномодового). Переход со 100Base-FX на 10Base-FL невозможен, поскольку стандарт 10Base-FL рассчитан на
λ
0.83 мкм.
100Base-SX — версия на недорогих светодиодах (
λ
0.83 мкм) и многомодо- вом волокне. Это позволяет реализовать совместимость с 10Base-FL, но при этом уменьшается дальность до 300 м. Это дешевая альтернатива 100Base-FX.
Основные характеристики интерфейсов Fast Ethernet приведены в таблице 2.5.
Проектирование сетей Fast Ethernet в пределах домена коллизий (на хабах) не требует расчетов и предлагает проектировщикам четыре стандартных варианта.
Вариант 1А (без хаба). Здесь рассматривается соединение «точка-точка» двух узлов. В качестве узлов могут выступать рабочая станция, сервер, коммутатор.
2.8 Коммутируемый Ethernet39В этом случае необходимо обеспечить требования только по максимальному рас- стоянию (табл. 2.5, строка 6).
Таблица 2.5 –
Характеристики стандарта Fast Ethernet
Характеристики100Base-FX100Base-TX100Base-T41. Порт устройства
Duplex SCRJ-45RJ-452. Среда передачи
ВОЛС (мм)
UTP-5
UTP-3, 4, 5 3. Число пар (волокон)
2 2
4 4. Линейный код
NRZIMLT-3
ЧПИ
5. Логический код
4В/5В
4В/5В
8В/6Т
6. Максимальная длина
D
412 м (мм)
100 м
100 м сегмента
E
2 км (мм, FD)
Вариант 1В. Этот вариант предполагает применение хаба класса 1 с задержкой на двойном пробеге не более 130 ВТ. В этих хабах допускаются порты T4, TX, FX.
Поскольку из-за трансляции протоколов задержка достаточно большая, то
может использоваться только один хаб, а расстояние от станций до хаба не более 100 м.
При этом диаметр сети 200 м.
Вариант 1С. Здесь применяются хабы класса 2, у которых задержка по портам
TX/FX — 46 ВТ, а для портов Т4 — 33.5 ВТ. Поэтому допускается соединение двух хабов с расстоянием между ними 5 м. Максимальная длина сегментов на витой паре 100 м, на оптоволокне — 136 м.
Небольшое количество хабов не препятствует развитию сетей Fast Ethernet поскольку наряду с хабами используются коммутаторы, которые делят сеть на от- дельные домены коллизий. Общая длина сети может быть в этом случае достаточно большой.
2.8 Коммутируемый EthernetРазвитие технологии ЛВС и сетей Ethernet происходило на базе применения коммутаторов.
Коммутатор — это многопортовое устройство, содержащее (рис. 2.19)
коммутационную матрицу, входные и выходные порты и процес- сорный блок.
Каждый порт имеет буферную память и свой процессор. При поступлении пакета процессор порта отправляет в буфер байты, содержащие адрес получателя.
Информация об адресах отправителя и получателя поступает в процессорный блок.
Там по адресной таблице определяется номер выходного порта и формируется ко- манда для коммутационной матрицы о создании соответствующего пути между входными и выходными портами (табл. 2.6). Если таблица не содержит адреса по- лучателя, то он записывается в новой строке, пакет широковещательно передается через все порты, кроме входного, принявшего пакет.
40
Глава 2. Локальные вычислительные сети (ЛВС)
Рис. 2.19 – Схема коммутатора
Таблица 2.6 – Адресная таблица
В адресной таблице каждому МАС-адресу сопоставляется порт коммутатора.
К каждому порту может быть приписан один или несколько адресов. Так, напри- мер, (рис. 2.20) станция A посылает пакет к порту 1. Процессор коммутатора ана- лизирует адрес получателя (D) и идентифицирует его с соответствующим портом коммутатора 4. По команде процессора коммутатор создает путь между портами 1
и 4 и посылает пакет на выходной порт. Вместо отдельных станций A, B, C, D
могут быть включены целые сегменты на хабах.
Рис. 2.20 – Сеть с коммутатором
Рассмотренный алгоритм работы коммутатора помогает понять основные его преимущества при создании компьютерных сетей.
1. Сегментация сетей. Если в сети, состоящей из нескольких хабов, вместо од- ного из них включить коммутатор (рис. 2.21), то коммутатор будет транслировать пакеты из подсети 1 к станциям подсетей 2, 3, . . ., N. Пакеты, которые предназна- чены станциям подсети 1, пропускаться не будут. Соответственно будет осуществ-
2.8 Коммутируемый Ethernet41ляться фильтрация пакетов всех остальных подсетей. Число пакетов, поступаю- щих на каждую станцию,
резко уменьшится, что значительно уменьшит вероят- ность коллизий. Таким образом, коммутатор разбивает большой домен коллизий на несколько сегментов.
Рис. 2.21 – Сегментация ЛВС
2. Одновременное соединение нескольких сетей. Если обратиться к рисун- ку 2.23, то можно заметить, что наряду с соединениями 1–4, коммутационная матрица позволяет одновременно реализовать соединение 3–2. В общем случае для
N портов может быть получено
N2 соединений. Это приводит к увеличению в
N2 раз пропускной способности. С другой стороны, при широковещательной рассылке (например, от 1 к 2, 3, 4) увеличения пропускной способности не проис- ходит.
3. Построение виртуальных локальных сетей (VLAN). Виртуальной сетью на- зывается группа станций, находящихся в общей сети, трафик которой на канальном уровне передается только между станциями этой группы. Создание VLAN с по- мощью коммутаторов не требует каких-либо физических переключений. Поэтому они называются виртуальными. Отдельные VLAN могут связываться между собой через устройства третьего уровня — маршрутизаторы. Основные принципы постро- ения виртуальных сетей регламентируются стандартом
IEEE 802.1Q.
Существует три подхода при построении VLAN. Первый основан на объеди- нении станций через порты коммутатора. Обратившись к рисунку 3.23 и задав там через процессор постоянное соединение 1–4 и 2–3, можно отметить, что все станции сегментов
B и
C образуют одну VLAN, а станции сегментов
A и
D дру- гую. Недостатком такого способа является то, что в пределах одного сегмента нельзя выделить какую-то одну станцию или группу для включения в VLAN. До- стоинством является простота создания виртуальной сети, не требующая большого объема ручной работы администратора.
Второй подход основан на объединении станций с помощью их МАС-адресов.
При этом любая станция VLAN может подключаться к любому порту коммутатора.
Принадлежность станций к конкретной VLAN заносится в процессор коммутатора,
который и разрешает коммутатору пересылку пакетов в пределах каждой виртуаль- ной сети. Этот метод требует от администратора большого объема ручной работы.
Предыдущие два подхода основаны только на добавлении дополнительной ин- формации к адресным таблицам моста и не используют возможности встраивания информации о принадлежности кадра к виртуальной сети в передаваемый кадр.
Скачать 4.1 Mb.