Учебник для вузов в. Олифер Н. Олифер Компьютерные Принципы, технологии, протоколы
 Скачать 22.28 Mb.
|
|
Спецификации физической среды При стандартизации технологии Ethernet рабочей группой IEEE 802.3 вариант Ethernet на «толстом» коаксиальном кабеле получил название 10Base-5. Ethernet со скоростью 10 Мбит/с на разделяемой среде 367 Число 10 этом названии обозначает номинальную битовую скорость передачи данных стандарта, то есть 10 Мбит/с, а слово «Base» — метод передачи на одной базовой частоте1 (в данном случае 10 МГц). Последний символ в названии стандарта физического уровня обозначает тип кабеля, в данном случае 5 отражает тот факт, что диаметр «толстого» ко аксиала равен 0,5 дюйма. Данная система обозначения типа физического уровня Ethernet сохранилась до настоящего времени. Наиболее популярными спецификациями физической среды Ethernet для скорости пере дачи данных 10 Мбит/с являются следующие: □ iOBase-5 — коаксиальный кабель диаметром 0,5 дюйма, называемый «толстым» коак сиалом. Имеет волновое сопротивление 50 Ом. Максимальная длина сегмента: 500 м (без повторителей). Максимальное количество узлов подключаемых к сегменту — 100. Максимальное число сегментов — 5 (4 повторителя), из которых.только 3 могут ис пользоваться для подключения узлов, а 2 играют роль удлинителей сети. □ iOBase-2 — коаксиальный кабель диаметром 0,25 дюйма, называемый «тонким» коак сиалом. Имеет волновое сопротивление 50 Ом. Максимальная длина сегмента — 185 м (без повторителей). Максимальное количество узлов подключаемых к сегменту — 30. Максимальное число сегментов — 5 (4 повторителя), из которых только 3 могут ис пользоваться для подключения узлов, а 2 играют роль удлинителей сети. □ i O B a s e - Т — кабель на основе неэкранированной витой пары (UTP). Образует звез дообразную топологию на основе концентратора (многопортового повторителя). Рас стояние между концентратором и конечным узлом — не более 100 м. Между любыми двумя узлами сети может быть не более 4-х концентраторов (так называемое «правило 4-х хабов»). □ 1 0 B a s e - F — волоконно-оптический кабель. Топология аналогична топологии стандарта IOBase-Т, но расстояние между концентратором и конечным узлом может достигать 2000 м. Правило 4-х хабов остается в силе. В стандарте 10Base-2 в качестве передающей среды используется «тонкий» коаксиал Ethernet. Тонкий коаксиальный кабель дешевле толстого, поэтому сети 10Base-2 ино гда называли Cheapernet (дословно — дешевая сеть). Станции подключаются к кабелю с помощью высокочастотного Т - к о н н е к т о р а , представляющего собой тройник, один отвод которого соединяется с сетевым адаптером, а два других — с двумя концами разрыва кабеля. Стандарт 10Base-2 очень близок к стандарту 10Base-5, но трансиверы в нем объединены с сетевыми адаптерами за счет того, что более гибкий тонкий коак сиальный кабель может быть подведен непосредственно к выходному разъему платы сетевого адаптера, установленной в шасси компьютера. Кабель в данном случае «висит» на сетевом адаптере, что затрудняет физическое перемещение компьютеров, однако сама операция соединения компьютеров в сеть оказывается гораздо проще, чем для сети на «толстом» коаксиале. Реализация этого стандарта на практике приводит к наиболее простому решению для ка бельной сети, так как для соединения компьютеров требуются только сетевые адаптеры, Т-коннекторы и терминаторы на 50 Ом. Однако этот вид кабельных соединений наиболее сильно подвержен авариям и сбоям. Кабель более восприимчив к помехам, чем «толстый» ' В отличие от методов, и с п о л ь з у ю щ и х несколько н е с у щ и х частот; такие мет о д ы называются ш и р о к о полосными и и м е ю т в своем составе слово «Broadband». Э т и методы, хотя и б ы л и стандартизованы, не получили распространения в период популярности л о к а л ь н ы х сетей на разделяемой среде. 368 Глава 12. Технологии локальных сетей на разделяемой среде коаксиал. В моноканале имеется большое количество механических соединений: каждый Т-коннектор дает три механических соединения, два из которых имеют жизненное значе ние для всей сети. Пользователи имеют доступ к разъемам и могут нарушить целостность моноканала. Кроме того, эстетика и эргономичность этого решения оставляют желать лучшего, так как от каждой станции через Т-коннектор отходят два довольно заметных провода, которые под столом часто образуют моток кабеля — запас, необходимый на случай даже небольшого перемещения рабочего места. Сеть Etemet на витой паре, описываемая стандартом 10Base-T, стала следующим шагом на пути повышения эксплуатационных характеристик Ethernet. Одним из существенных недостатков Ethernet на коаксиальном кабеле являлось отсут ствие оперативной информации о состоянии кабеля и сложность нахождения места его повреждения. Поэтому поиск неисправностей стал привычной процедурой и головной болью многочисленной армии сетевых администраторов коаксиальных сетей Ethernet. Альтернатива появилась в середине 80-х годов, когда благодаря использованию витой пары и повторителей сети Ethernet стали гораздо более ремонтопригодными. К этому времени телефонные компании уже достаточно давно применяли многопарный кабель на основе неэкранированной витой пары для подключения телефонных аппаратов внутри зданий. Идея приспособить этот популярный вид кабеля для локальных сетей ока залась очень плодотворной, так как многие здания уже были оснащены нужной кабельной системой. Оставалось разработать способ подключения сетевых адаптеров и прочего ком муникационного оборудования к витой паре таким образом, чтобы изменения в сетевых адаптерах и программном обеспечении сетевых операционных систем были минимальными по сравнению с сетями Ethernet на коаксиале. Эта попытка оказалась успешной — переход на витую пару требует только замены приемника и передатчика сетевого адаптера, а метод доступа и все протоколы канального уровня остаются теми же, что и в сетях Ethernet на коаксиале. Правда, для соединения узлов в сеть теперь обязательно требуется коммуникационное устройство — многопортовый повторитель Ethernet на витой паре. Устройство такого повторителя схематично изображено на рис. 12.8. Каждый сетевой адаптер соединяется с повторителем двумя витыми парами. Одна витая пара требуется для передачи данных от станции к повторителю (выход ТХ сетевого адаптера), другая — для передачи данных от повторителя к станции (вход RX сетевого адаптера). Повторитель по битно принимает сигналы от одного из конечных узлов и синхронно передает их на все свои остальные порты, исключая тот, с которого поступили сигналы, одновременно улучшая их электрические характеристики. Многопортовый повторитель часто называют концентратором, или хабом (от английско го hub — центр, ступица колеса), так как в нем сконцентрированы соединения со всеми конечными узлами сети. Фактически хаб имитирует сеть на коаксиальном кабеле в том отношении, что физически отдельные отрезки кабеля на витой паре логически все равно представляют единую разделяемую среду. Все правила доступа к среде по алгоритму CSMA/CD сохраняются. При создании сети Ethernet на витой паре с большим числом конечных узлов хабы мож но соединять друг с другом иерархическим способом, образуя древовидную структуру (рис. 12.9). Добавление каждого хаба изменяет физическую структуру, но оставляет без изменения логическую структуру сети. То есть независимо от числа хабов в сети сохраня Ethernet со скоростью 10 Мбит/с на разделяемой среде 369 ется одна общая для всех интерфейсов разделяемая среда, так что передача кадра с любого интерфейса блокирует передатчики всех остальных интерфейсов. Рис. 12.9. Иерархическое соединение хабов Физическая структуризация сетей, построенных на основе витой пары, повышает надеж ность и упрощает обслуживание сети, поскольку в этом случае появляется возможность контролировать состояние и локализовывать отказы отдельных кабельных отрезков, под ключающих конечные узлы к концентраторам. В случае обрыва, короткого замыкания или неисправности сетевого адаптера работа сети может быть быстро восстановлена путем отключения соответствующего сегмента кабеля. Для контроля целостности физического соединения между двумя непосредственно соединенными портами,» стандарте IOBase-Т введен так называемый т е с т ц е л о с т н о с т и с о е д и н е н и я (Link Integrity Test, LIT). Эта процедура заключается в том, что в те периоды, когда порт не посылает или получает кадры данных, он посылает своему соседу импульсы длительностью 100 не через каждые 16 мс. Если порт принимает такие импульсы от своего соседа, то он считает соединение работоспособным и, как правило, индицирует это зеленым светом светодиода. 370 Глава 12. Технологии локальных сетей на разделяемой сре, отисгіользуемого физического уровня в стандартах Ethernet На 10 Мбит/с вводите* намаксимальное коийчество:уэлов, псщ»слючаемых^раЬделяемой:среде. Это огра* ні И ййи І ^ Не все варианты физического уровня стандарта Ethernet на 10 Мбит/с дают возможное построить сеть с максимальным количеством узлов. Например, сеть 10Base-5 может име максимум 100 х 3 - 3 = 297 узлов (3 подключения уходят на повторители, соединяющі сегменты), а сеть 10 Base-2 — только 87 узлов. И лишь сети 10Base-T и 10Base-F дав такую возможность. Более подробную информацию о стандартах физическо- то уровня Ethernet можно найти на сайте www.olifer.co.uk в документе «Физические стандарты Ethernet». Максимальная производительность сети Ethernet Производительность сети зависит от скорости передачи кадров по линиям связи и скоросч обработки этих кадров коммуникационными устройствами, передающими кадры меж; своими портами, к которым эти линии связи подключены. Скорость передачи кадров г линиям связи зависит от используемых протоколов физического и канального уровне например Ethernet на 10 Мбит/с, Ethernet на 100 Мбит/с, Token Ring или FDDI. Скорость, с которой протокол передает биты по линии связи, называется номинальной скоро стью протокола. Скорость обработки кадров коммуникационным устройством зависит от производительні сти его процессоров, внутренней архитектуры и других параметров. Очевидно, что скорост коммуникационного устройства должна соответствовать скорости работы линии. Если ot меньше скорости работы линии, то кадры будут стоять в очередях и отбрасываться пр переполнении последних. В то же время нет смысла применять устройство, которое в сотн раз производительнее, чем того требует скорость подключаемых к нему линий. Для оценки требуемой производительности коммуникационных устройств, имеющи порты Ethernet, необходимо оценить производительность сегмента Ethernet, но не в бита в секунду (ее мы знаем — это 10 Мбит/с), а в кадрах в секунду, так как именно этот показі тель помогает оценить требования к производительности коммуникационных устройст; Это объясняется тем, что на обработку каждого кадра, независимо от его длины, мост, ко\ мутатор или маршрутизатор тратит примерно равное время, которое уходит на просмот таблицы продвижения пакета, формирование нового кадра (для маршрутизатора) и т. і При постоянной битовой скорости количество кадров, поступающих на коммуникационно устройство в единицу^времени, является, естественно, максимальным при их минималі ной длине. Поэтому для коммуникационного оборудования наиболее тяжелым режимої является обработка потока кадров минимальной длины. Теперь рассчитаем максимальную производительность сегмента Ethernet в таких единица? как число переданных кадров (пакетов) минимальной длины в секунду Ethernet со скоростью 10 Мбит/с на разделяемой среде 371 ПРИМ ЕЧАНИЕ--------------------------------------------------------------------------------------------------------------- При указании производительности сетей термины «кадр» и «пакет» обычно используются как сино нимы. Соответственно, аналогичными являются и единицы измерения производительности кадры в секунду (кадр/с) и пакеты в секунду (пакет/с). Для расчета максимального количества кадров минимальной длины, проходящих по сегменту Ethernet, вспомним, что подсчитанное нами ранее время, затрачиваемое на пере дачу кадра минимальной длины (576 бит), составляет 57,5 мкс. Прибавив межкадровый интервал в 9,6 мкс, получаем, что период следования кадров минимальной длины состав ляет 67,1 мкс. Отсюда максимально возможная пропускная способность сегмента Ethernet составляет 14 880 кадр/с (рис. 12.10). Естественно, что наличие в сегменте нескольких узлов снижает эту величину за счет ожидания доступа к среде, а также за счет коллизий. Рис. 12.10. К расчету пропускной способности протокола Ethernet Кадры максимальной длины технологии Ethernet имеют поле данных 1500 байт, что вме сте со служебной информацией дает 1518 байт, а с преамбулой составляет 1526 байт, или 12 208 бит. Максимально возможная пропускная способность сегмента Ethernet для кадров максимальной длины составляет 813 кадр/с. Очевидно, что при работе с большими кадрами нагрузка на мосты, коммутаторы и маршрутизаторы довольно ощутимо снижается. Теперь рассчитаем, какой максимально полезной пропускной способностью, измеряемой в битах в секунду, обладают сегменты Ethernet при использовании кадров разного размера. Полезной пропускной способностью протокола называется максимальная скорость передачи пользовательских данных, которые переносятся полем данных кадра. Эта пропускная способность всегда меньше номинальной битовой скорости протокола Ethernet за счет нескольких факторов: □ служебной информации кадра; □ межкадровых интервалов (IPG); □ ожидания доступа к среде. Для кадров минимальной длины полезная пропускная способность равна: В = 14880 х 46 х 8 = 5,48 Мбит/с. Это несколько меньше, чем 10 Мбит/с, но следует учесть, что кадры минимальной длины используются в основном для передачи квитанций, так что к передаче собственно данных файлов эта скорость имеет небольшое отношение. Для кадров максимальной длины полезная пропускная способность равна: Вп = 813 х 1500 х 8 = 9,76 Мбит/с. 372 Глава 12. Технологии локальных сетей на разделяемой среде При использовании кадров среднего размера с полем данных в 512 байт пропускная спо собность протокола составляет 9,29 Мбит/с. В двух последних случаях пропускная способность протокола оказалась достаточно близ кой к предельной пропускной способности в 10 Мбит/с, однако следует учесть, что при расчете мы предполагали, что двум взаимодействующим станциям «не мешают» никакие другие станции сети, то есть отсутствуют коллизии и ожидание доступа. Таким образом, при отсутствии коллизий коэффициент использования сети зависит от размера поля данных кадра и имеет максимальное значение 0,976 при передаче кадров максимальной длины. Технологии Token Ring и FDDI Token Ring и FDDI — это функционально намного более сложные технологии, чем Ethernet на разделяемой среде. Разработчики этих технологий стремились наделить сеть на разделяемой среде многими положительными качествами: сделать механизм разделения среды предсказуемым и управляемым, обеспечить отказоустойчивость сети, организовать приоритетное обслуживание для чувствительного к задержкам трафика, например голосового. Нужно отдать им должное — во многом их усилия оправдались, и сети FDDI довольно долгое время успешно использовались как магистрали сетей масштаба кампуса, в особенности в тех случаях, когда нужно было обеспечить высокую надежность магистрали. Механизм доступа к среде в сетях Token Ring и FDDI является более детерминированным, чем в сетях Ethernet. Рассмотрим его на примере сети Token Ring, станции которой связаны в кольцо (рис. 12.11), так что любая станция непосредственно получает данные только от одной станции — той, которая является предыдущей в кольце, а передает данные своему ближайшему соседу вниз по потоку данных. Скорость передачи данных в первых сетях Token Ring, разработанных компанией IBM, была всего 4 Мбит/с, но затем была повышена до 16 Мбит/с. Основная среда передачи данных — витая пара. Для адресации станций сети Token Ring (и FDDI) используют МАС-адреса того же формата, что и Ethernet. Метод доступа Token Ring основан на передаче от узла к узлу специального кадра — токе на, или маркера, доступа, при этом только узел, владеющий токеном, может передавать свои кадры в кольцо, которое становится в этом случае разделяемой средой. Существует лимит на период монопольного использования среды — это так называемое время удер жания токена, по истечение которого станция обязана передать токен своему соседу по кольцу. В результате такие ситуации, как неопределенное время ожидания доступа к среде, характерные для Ethernet, здесь исключены (по крайней мере, в тех случаях, когда сете вые адаптеры станций исправны и работают без сбоев). Максимальное время ожидания всегда нетрудно оценить, так как оно равно произведению времени удержания токена на количество станций в кольце. Так как станция, получившая токен, но не имеющая в этот момент кадров для передачи, передает токен следующей станции, то время ожидания может быть меньше. Технологии Token Ring и FDDI 373 Отказоустойчивость сети Token Ring определяется использованием в сети повторителей (не показанных на рис. 12.11) для создания кольца. Каждый такой повторитель имеет не сколько портов, которые образуют кольцо за счет внутренних связей между передатчиками и приемниками. В случае отказа или отсоединения станции повторитель организует обход порта этой станции, так что связность кольца не нарушается. Поддержка чувствительного к задержкам трафика достигается за счет системы приори- тетов кадров. Решение о приоритете конкретного кадра принимает передающая станция. Токен также всегда имеет некоторый уровень текущего приоритета. Станция имеет право захватить переданный ей токен только в том случае, если приоритет кадра, который она хочет передать, выше приоритета токена (или равен ему). В противном случае станция обязана передать токен следующей по кольцу станции. Благодаря более высокой, чем в сетях Ethernet, скорости, детерминированности распре деления пропускной способности сети между узлами, а также лучших эксплуатационных характеристик (обнаружение и изоляция неисправностей), сети Token Ring были предпо чтительным выбором для таких чувствительных к подобным показателям приложений, как банковские системы и системы управления предприятием. Технологию FDDI можно считать усовершенствованным вариантом Token Ring, так как в ней, как и в Token Ring, используется метод доступа к среде, основанный на передаче то кена, а также кольцевая топология связей, но вместе с тем FDDI работает на более высокой скорости и имеет более совершенный механизм отказоустойчивости. Технология FDDI стала первой технологией локальных сетей, в которой оптическое во локно, начавшее применяться в телекоммуникационных сетях с 70-х годов прошлого века, было использовано в качестве разделяемой среды передачи данных. За счет применения |