Сети передачи данных - уч. пособие. Сети передачи данных
 Скачать 4.1 Mb.
|
|
Глава 2. Локальные вычислительные сети (ЛВС) Рис. 2.27 – Физические интерфейсы Gigabit Ethernet Таким образом, все отличия Gigabit Ethernet в основном проявля- ются на физическом уровне. Они состоят в наличии различных вариантов подключения станций и узлов к сети. В 1000Base-X за основу взяты элементы стандарта Fibre Channel (FC) — тех- нологии взаимодействия быстродействующих рабочих станций и узлов локальных сетей по оптоволокну. Для логического кодирования применен код 8B/10B, ана- логичный коду 4B/5B, описанному в разделе 2.8. Этот код по сравнению с 4B/5B практически не содержит постоянной составляющей, что исключает перегрузку лазерных диодов. 1000Base-X в свою очередь разделен на три интерфейса. 1000Base-SX работает с коротковолновыми лазерами ( λ 0.85 мкм) и многомо- довом волокном. Достоинством работы в этом диапазоне является то, что источни- ки излучения (лазерные диоды и светодиоды) намного дешевле, а недостатком — большое затухание оптического излучения в волокне. Поэтому предельная длина оптоволоконного сегмента ограничена (табл. 2.8) сотнями метров даже в дуплекс- ном режиме. 1000Base-LX разрешает работу с одномодовым волокном, где характеристики и по затуханию и дисперсии значительно лучше. Потому длина сегментов может составлять несколько километров. Этот стандарт допускает также работу и с много- модовым волокном. Однако в этом случае выигрыш в длине сегмента по сравнению с 1000Base-SX не такой значительный. 1000Base-CX — этот интерфейс предназначен для работы на экранированной витой паре. Если в кабеле две пары (твинаксиальный кабель), то обе одновременно используются для передачи пакетов в одну сторону и режим сети — полудуплекс- ный. Для полнодуплексного режима применяется Quad-кабель, имеющий четыре пары. Максимальная длина сегмента составляет всего 25 м, поэтому этот стандарт применяется для оборудования, расположенного в одной комнате. 1000Base-T — этот стандарт разработан специально для электрического кабеля UTP-5, широко применяемого в ЛВС и, в том числе, в технологии Fast Ethernet. Для того чтобы обеспечить скорость передачи в дуплексном режиме 1000 Мбит/с, были предложены следующие технические решения: 2.9 Gigabit Ethernet 51 1. Передача и прием параллельно по всем четырем парам сразу. Поэтому ско- рость в каждой паре будет уже 250 Мбит/с. 2. Применено многоуровневое кодирование PAM-5 с числом уровней 5 (0, 1, 2). При этом за каждый бод (один импульс) передается два бита — комбинации 00, 01, 10, 11. Таким образом, тактовая частота и ширина спектра сигнала составляют 125 МГц. Эти характеристики сигнала позволяют пропускать его через кабель UTP-5 без заметного ухудшения пропускной способности. Код PAM-5 имеет избыточность, так как пять уровней могли бы передавать 2.32 бита за одну посылку. Эта избыточность используется для повышения помехо- устойчивости. Появление запрещенных комбинаций сигнализирует об искажении сигнала помехами. 3. Для обеспечения разделения передаваемого и принимаемого сигналов при- меняются гибридные мостовые устройства. 4. Для отделения принимаемого сигнала от сигнала собственного передатчика, проникающего на вход приемника через мостовую схему, применяется сигнальный процессор, который из смеси вычитает сигнал передатчика. Все эти меры позволяют реализовать длину сегмента 1000Base-T до 100 м. Рассмотренные выше ограничения максимального сегмента сети обусловле- ны, в первую очередь, затуханием сигнала в кабеле. В полудуплексном режиме необходимо также учитывать влияние коллизий. При сокращении длительности битового интервала ВТ до 1 нсек соответственно в 10 раз уменьшится и PDV, и максимальный диаметр сети, который будет равен 25 м. Чтобы сохранить диа- метр сети в 200 м, необходимо увеличить минимальный размер кадра. Поэтому в Gigabit Ethernet он составляет 512 байт вместо 64 байт. Вместе с задержкой в концентраторе это позволяет уложиться в 200 м. Таблица 2.8 – Стандарты 1000Base-X Стандарт Тип волокна/медного кабеля Полоса пропуска- Максимальное ния, МГц км расстояние, м 1000Base-LX Одномодовое волокно — > 5000 (9 мкм) Многомодовое волокно 500 550 (50 мкм) Многомодовое волокно 320 400 (62.5 мкм) 1000Base-SX Многомодовое волокно 400 500 (50 мкм) Многомодовое волокно 160 220 (62.5 мкм) 1000Base-CX Экранированная — 25 витая пара STP 1500 м При передаче коротких кадров ( 512 байт) применяются следующие приемы. 1. Короткий кадр расширяется так, чтобы поле данных составляло 448 байт. Это заполнение производится запрещенными комбинациями кода 8В/10В, которые после приема кадра удаляются. 52 Глава 2. Локальные вычислительные сети (ЛВС) 2. Одна станция может передавать подряд несколько коротких кадров. Общая длина посылки не должна превышать 8192 байта. Такой режим носит назва- ние Burst Mode — монопольный пакетный режим. Поскольку скорость пе- редачи высока (1000 Мбит/с), то увеличение длительности передачи прак- тически не задерживает доступ к среде передачи других станций. Основными устройствами сетей Gigabit Ethernet являются: 1. Сетевая карта. Сетевые карты работают с высокоскоростными шинами PCI, обеспечивают скорость передачи в несколько гигабит в секунду. Имеют два независимых процес- сора в составе приемника и передатчика. Поддерживают стандарты IEEE 802.3x, IEEE 802.3z, IEEE 802.ab, что делает их практически совместимыми со всеми другими устройствами. 2. Концентратор (буферный повторитель). Существенным отличием буферного повторителя является то, что он по каж- дому входному и выходному портам имеет устройства памяти. Поскольку сетевые станции также имеют независимые порты передатчика и приемника, то на участ- ке станция — буфер повторителя реализуется дуплексный режим. На этом участке механизм CSMA/CD исключен и коллизий нет. Внутри повторителя реализуется алгоритм случайного доступа CSMA/CD, когда пакеты из входного буфера прини- мающего порта передатчика передаются на выходные буферы остальных портов. Таким образом, ограничения на длину сегмента, связанные с коллизиями, здесь не работают. Остаются только ограничения, связанные с физическими характеристи- ками линий (затухание, дисперсия). Поэтому применение волоконно-оптических кабелей в сетях Gigabit Ethernet предпочтительней. 3. Коммутатор. Осуществляя функции объединения сетей, коммутаторы Gigabit Ethernet имеют порты всех трех уровней: GE, FE и Ethernet. Так, число портов 1000Base-SX/LX в одном модуле может меняться от 2 до 16. При этом число портов 10/100Base-ТX может достигать 48. Общее число модулей до 10. Возможен выбор физического интерфейса. При необходимости порты GE и FE могут объединяться с целью увеличения пропускной способности до 8–16 Гбит/с. Для обеспечения таких скоростей шина коммутатора работает с пропускной способностью 24–156 Гбит/с. Для контроля и управления потоком коммутаторы поддерживают стандарт IEEE 802.3x. Этот стандарт при перегрузке реализует команду «Приостановить пере- дачу», которая передается соседнему узлу с помощью выбранных избыточных символов кода 8B/10B. После снятия перегрузки аналогично передается команда «Возобновить передачу». Кроме этих функций, коммутаторы реализуют: поддержку механизма QoS протокола RsVP (Resource Reservation Protocol); поддержку различных протоколов для организации виртуальных сетей (VTP, IEEE 802.1Q и др.); горячее резервирование электропитания и управления; возможность дистанционного управления. 2.10 10 Gigabit Ethernet (10GE) 53 2.10 10 Gigabit Ethernet (10GE) Достоинство технологии Ethernet позволило обеспечить дальнейшее наращи- вание скорости передачи данных. Вслед за Gigabit Ethernet появились технологии 10 Gigabit Ethernet (10GE) и 100 Gigabit Ethernet (100GE) со скоростями передачи 10 Гбит/с и 100 Гбит/с соответственно. Рассмотрим здесь технологию 10GE подробнее. Технология 10GE стандарт IEEE 802.3ае в отличие от Gigabit Ethernet исполь- зуется только в режиме коммутации (full duplex). Режим общей разделяемой среды (технология с использованием хабов) не применяется в связи с тем, что размер домена коллизий сокращается до нескольких метров. Формат кадра остается та- кой же, как в классическом Ethernet. Существуют три группы таких физических интерфейсов: 10GBase-X, 10GBase-R и 10GBase-W. Они отличаются тем, что в тех- нологии 10GBase-X для увеличения пропускной способности используется метод спектрального уплотнения WDM, в рамках которого передаются пакеты без преоб- разования их в стандартную форму SDH. В технологиях 10GBase-R и 10GBase-W информация сетей передачи данных инкапсулируется в кадры STM 64. Кроме этого, они отличаются способом кодирования данных: в варианте 10Base-X применяет- ся код 8В/10В, в остальных двух — код 64В/66В. Все они для передачи данных задействуют оптическую среду. Группа 10GBase-X в настоящее время состоит из одного интерфейса 10GBase- LX4. Буква L говорит о том, что информация передается с помощью волн второго диапазона прозрачности, то есть 1310 нм. Информация в каждом направлении передается одновременно с помощью четырех волн (что отражает цифра 4 в назва- нии интерфейса), которые мультиплексируются на основе техники WDM (см. раз- дел 3.1). Каждый из четырех потоков интерфейса XGMII передается в оптическом волокне со скоростью 2.5 Гбит/с. Максимальное расстояние между передатчиком и приемником стандарта 10GBase-LX4 на многомодовом волокне равно 200–300 м (в зависимости от полосы пропускания волокна), на одномодовом — 10 км. Интерфейсы 10GBase-W и 10GBase-R используют технологию SDH. В отличие от 10GBase-Х эта технология является наложенной, когда пакеты Ethernet разме- щаются в кадрах синхронного транспортного модуля STM-64 (скорость 10 Гбит/с). В каждой из групп 10GBase-W и 10GBase-R может быть три варианта подуровня PMD: S, L и Е в зависимости от используемого для передачи информации диа- пазона волн — 850, 1310 или 1550 нм соответственно. Таким образом, существуют интерфейсы 10GBase-WS, 10GBase-WL, 10GBase-WE и 10GBase-RS, 10GBase-RL и lOGBase-RE. Каждый из них передает информацию с помощью одной волны соответствующего диапазона. Пропускная способность интерфейсов группы W равна 9.95328 Гбит/с, а эф- фективная скорость передачи данных — 9.58464 Гбит/с (часть пропускной способ- ности тратится на заголовки кадров STM). Из-за того что скорость передачи инфор- мации у этой группы интерфейсов ниже, чем 10 Гбит/с, они могут взаимодейство- вать только между собой, то есть соединение, например интерфейсов 10GBase- RL и 10Base-WL, невозможно. Интерфейсы группы W не являются полностью совместимыми по электрическим характеристикам с интерфейсами SDH STM-64. Поэтому для соединения сетей 10G Ethernet через первичную сеть SDH у мульти- 54 Глава 2. Локальные вычислительные сети (ЛВС) плексоров первичной сети должны быть специальные 10-гигабитные интерфейсы, совместимые со спецификациями 10GBase-W. Поддержка оборудованием 10GBase-W скорости 9.95328 Гбит/с обеспечивает принципиальную возможность передачи тра- фика 10G Ethernet через сети SDH в кадрах STM-64. Контрольные вопросы по главе 2 1. Чем отличаются подуровни МАС и LLC? 2. Объясните причину того, что МАС-адреса не обладают иерархичностью. 3. В чем заключается разница между технологиями CSMA/CD и CSMA/CI? 4. Опишите манчестерский код. 5. Назовите основные достоинства технологии «Коммутируемый Ethernet». 6. Какая среда передачи используется в протоколах Gigabit Ethernet и 10 Gi- gabit Ethernet? Глава 3 ТЕХНОЛОГИИ ГЛОБАЛЬНЫХ СЕТЕЙ 3.1 Общие понятия и принципы Под глобальными вычислительными сетями (ГВС) будем понимать сети, охва- тывающие значительные территории: регион, страна, значительная часть земного шара [1, 2, 4]. Примерами ГВС можно считать, например, сеть ОАО «Транстеле- ком», которая охватывает все железные дороги России и, наконец, всемирную сеть Интернет. Отличительными особенностями глобальных сетей являются: большие расстояния между узлами и станциями; большие задержки сигнала; более равномерный трафик, что обусловлено большим ко- личеством независимых пользователей; более сложные процедуры передачи, что связано с мень- шей надежностью; обязательное использование технологий сетевого уровня ЭМВОС. Известными технологиями ГВС являются: Frame Relay (FR), IP (Internet Proto- col), АТМ, NGN. Доминирующей сетевой технологией на данный момент является IP. Она начинает работать только с третьего уровня и подробно будет рассмотрена в следующих разделах. Здесь же мы дадим характеристику и подробней опишем основные протоколы первого и второго уровней. 56 Глава 3. Технологии глобальных сетей На физическом уровне в сетях большого масштаба наибольшее распростране- ние получили технологии цифровых систем передачи PDH и SDH, которые органи- зуются либо по волоконно-оптическим линиям связи, либо по РРЛ. В зависимости от требуемых объемов трафика и скорости передачи для абонентов ГВС выделя- ются необходимые цифровые каналы до n 155 Мбит/с. Пакеты абонентов разме- щаются в цифровых каналах с помощью мультиплексоров и передаются в общем цифровом потоке вместе с другими видами нагрузки (телефония, сотовая связь, видеоинформация). Такие сети, в которых трафик передачи данных размещается в общем цифровом потоке, называются наложенными. Наряду с этим применяются и выделенные сети, в которых передается только трафик передачи данных. Технологиями физического уровня здесь, «как правило», являются Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, 10 Gb Ethernet, описанные в предыдущем разделе. Наряду с этими технологиями в глобальных сетях также широко применяются классические методы цифровых систем передачи (PDH, SDH, WDM). Рассмот- рим здесь подробней технологию спектрального уплотнения WDM (Wavelength Division Multiplexing). Системы с WDM относятся к системам с частотным разде- лением каналов (ЧРК). Отличие от классических систем с ЧРК заключается в том, что различные оптические несущие (лазеры, излучающие на разных длинах волн) модулируются по интенсивности цифровыми импульсными сигналами от различ- ных источников информации. Затем лазерные лучи объединяются в один световой поток в оптическом мультиплексоре. Расстояния между оптическими несущими должны быть такими, чтобы не создавать заметных перекрестных искажений. Основная схема системы c WDM (для примера взято четыре канала) имеет вид, представленный на рисунке 3.1 (показан один прямой канал). Рис. 3.1 – Схема системы c WDM Здесь n входных потоков данных (кодированных цифровых импульсных по- следовательностей) модулируют (модуляция основной полосой) с помощью опти- ческих модуляторов M i оптические несущие с длинами волн l i . Модулированные несущие мультиплексируются (объединяются) с помощью мультиплексора WDM 3.1 Общие понятия и принципы 57 MUX в агрегатный поток, который после усиления (с помощью бустера или мощ- ного усилителя — МУ) подается в оптический кабель (ОК). На приемном конце поток с выхода ОК усиливается предварительным усилителем — ПУ, демультиплек- сируется, т. е. разделяется на составляющие потоки — модулированные несущие l i , которые детектируются с помощью детекторов Д i (на входе которых могут до- полнительно использоваться полосовые фильтры Ф i для уменьшения переходных помех и увеличения тем самым помехоустойчивости детектирования), и, наконец, демодулируются демодуляторами ДM i , формирующими на выходе исходные коди- рованные цифровые импульсные последовательности. Кроме МУ и ПУ, в системе могут быть использованы и линейные усилители — ЛУ (как рассматривалось вы- ше). Самым первым и наиболее простым вариантом WDM является такой, когда в одном волокне одновременно передаются два цифровых потока в окнах прозрач- ности с длинами волн 1310 нм и 1550 нм. В этом случае пропускная способность линии увеличивается в два раза, а перекрестные помехи практически равны нулю. Дальнейшее наращивание пропускной способности реализуется в системах, у которых число оптических несущих равно 4 и более. Их можно классифицировать следующим образом: WDM — системы с частотным разносом каналов не менее 200 ГГц, позво- ляющие мультиплексировать не более 16 каналов; DWDM — системы с разносом каналов не менее 100 ГГц, позволяющие мультиплексировать не более 64 каналов; HDWDM — системы с разносом каналов 50 ГГц и менее, позволяющие мультиплексировать не менее 64 каналов. Первые мультиплексоры класса WDM использовались для мультиплексирова- ния двух несущих: 1310 нм и 1550 нм, расстояние между которыми 240 нм было настолько большим, что при реализации не требовало специальных фильтров для их разделения. Дальнейшие усилия, направленные на улучшение селективности (уменьшение разноса каналов), при использовании традиционной дискретной оп- тики не давали результатов лучше, чем следующие: разнос каналов — 20–30 нм; переходное затухание между каналами — 20 дБ; уровень вносимых потерь — 2–4 дБ. Это позволило формировать не более 4 каналов во 2-м окне прозрачности. Затем произошел существенный прорыв в технологии мультиплексирования, обу- словленный, с одной стороны, переходом к интегральным оптическим технологи- ям, с другой — миниатюризацией и улучшением качества изготовления элементов традиционной дискретной оптики. В настоящее время используются три конкурирующие технологии выделения каналов (демультиплексирования). Две из них на основе интегральной оптики: од- на использует выделение несущих на основе дифракционной решетки на массиве волноводов — AWG (Arrayed Waveguide Grating) и вторая на основе вогнутой ди- фракционной решетки — CG (Concave Grating). В третьей технологии применяется традиционная миниатюрная (на новом уровне технологии) дискретная оптика, ис- |