Учебник для вузов в. Олифер Н. Олифер Компьютерные Принципы, технологии, протоколы
 Скачать 22.28 Mb.
|
|
З а д е р ж к а п е р е д а ч и к а д р а измеряется как время, прошедшее с момента прихода перво го байта кадра на входной порт коммутатора до момента появления этого байта на его выходном порту. Задержка складывается из времени, затрачиваемого на буферизацию байтов кадра, и времени, затрачиваемого на обработку кадра коммутатором — просмотр адресной таблицы, принятие решения о фильтрации или продвижении, получение доступа к среде выходного порта. Величина вносимой коммутатором задержки зависит от режима его работы. Если коммутация осуществляется «на лету», то задержки обычно невелики и составляют от 5 до 40 мкс, а при полной буферизации кадров — от 50 до 200 мкс для кадров минимальной длины при передаче со скоростью 10 Мбит/с. Коммутаторы, под Коммутаторы 425 держивающие более скоростные версии Ethernet, вносят меньшие задержки в процесс продвижения кадров. П р о и з в о д и т е л ь н о с т ь к о м м у т а т о р а определяется количеством пользовательских дан ных, переданных в единицу времени через его порты, и измеряется в мегабитах в секунду (Мбит/с). Так как коммутатор работает на канальном уровне, для него пользовательски ми данными являются те данные, которые переносятся в поле данных кадров Ethernet. Максимальное значение производительности коммутатора всегда достигается на кадрах максимальной длины, так как при этом доля накладных расходов на служебную информа цию кадра минимальна. Коммутатор — это многопортовое устройство, поэтому для него в качестве характеристики принято давать максимальную суммарную производительность при одновременной передаче трафика по всем его портам. Еще одной важнойконструюгивной характеристикой коммутатора является максимальная емкость адресной таблицы. Она опреде^т предельнее МАС-адресов, которыми может одновременна оперировать коммутатор. Для выполнения операций каждого порта в коммутаторах чаще всего используется вы деленный процессорный блок со своей памятью для хранения собственного экземпляра адресной таблицы. Каждый порт хранит только те наборы адресов, с которыми он работал в последнее время, поэтому экземпляры адресной таблицы разных процессорных модулей, как правило, не совпадают. Значение максимального числа МАС-адресов, которое может запомнить процессор порта, зависит от области применения коммутатора. Коммутаторы рабочих групп обычно под держивают всего несколько адресов на порт, так как они предназначены для образования микросегментов. Коммутаторы отделов должны поддерживать несколько сотен адресов, а коммутаторы магистралей сетей — до нескольких тысяч (обычно 4000-8000 адресов). Недостаточная емкость адресной таблицы может служить причиной замедления работы коммутатора и засорения сети избыточным трафиком. Если адресная таблица процессора порта полностью заполнена, а он встречает новый адрес источника в поступившем кадре, процессор должен удалить из таблицы какой-либо старый адрес и поместить на его место новый. Эта операция сама по себе отнимает у процессора часть времени, но главные потери производительности наблюдаются при поступлении кадра с адресом назначения, кото рый пришлось удалить из адресной таблицы. Так как адрес назначения кадра неизвестен, коммутатору приходится передавать этот кадр на все остальные порты. Некоторые про изводители коммутаторов решают эту проблему за счет изменения алгоритма обработки кадров с неизвестным адресом назначения. Один из портов коммутатора конфигурируется как магистральный порт, на который по умолчанию передаются все кадры с неизвестным адресом1. Передача кадра на магистральный порт производится в расчете на то, что этот порт подключен к вышестоящему коммутатору (при иерархическом соединении коммута торов в крупной сети), который имеет достаточную емкость адресной таблицы и «знает», куда можно передать любой кадр. 1 В маршрутизаторах такой прием применяется давно, позволяя сократить размеры адресных таблиц в сетях, организованных до иерархическому принципу. 426 Глава 13. Коммутируемые сети Ethernet Скоростные версии Ethernet Скорость 10 Мбит/с первой стандартной версии Ethernet долгое время удовлетворяла по требности пользователей локальных сетей. Однако в начале 90-х годов начала ощущаться недостаточная пропускная способность Ethernet, так как скорость обмена с сетью стала существенно меньше скорости внутренней шины компьютера. Кроме того, начали по являться новые мультимедийные приложения, гораздо более требовательные к скорости сети, чем их текстовые предшественники. В поисках решения проблемы ведущие произ водители сетевого оборудования начали интенсивные работы по повышению скорости Ethernet при сохранении главного достоинства этой технологии — простоты и низкой стоимости оборудования. Результатом стало появление новых скоростных стандартов Ethernet: Fast Ethernet (скорость 100 Мбит/с), Gigabit Ethernet (1000 Мбит/с, или 1 Гбит/с) и 10G Ethernet (10 Гбит/с). На время написания этой книги два новых стандарта — 40G Ethernet и 100G Ethernet — находились в стадии разработки, обещая следующее десятикратное превышение верхней границы производительности Ethernet. Разработчикам новых скоростных стандартов Ethernet удалось сохранить основные чер ты классической технологии Ethernet и, прежде всего, простой способ обмена кадрами без встроенных в технологию сложных контрольных процедур. Этот фактор оказался решающим в соревновании технологий локальных сетей, так как выбор пользователей всегда склонялся в пользу простого наращивания скорости сети, а не в пользу решений, связанных с более эффективным расходованием той же самой пропускной способности с помощью более сложной и дорогой технологии. Примером такого подхода служит пере ход с оборудования Fast Ethernet на Gigabit Ethernet вместо перехода на оборудование ATM со скоростью 155 Мбит/с. Несмотря на значительную разницу в пропускной способ ности (1000 Мбит/с против 155 Мбит/с), оба варианта обновления сети примерно равны по степени положительного влияния на «самочувствие* приложений, так как Gigabit Ethernet достигает нужного эффекта за счет равного повышения доли пропускной спо собности для всех приложений, a ATM перераспределяет меньшую пропускную способ ность более тонко, дифференцируя ее в соответствии с потребностями приложений. Тем не менее пользователи предпочли не вдаваться в детали и тонкости настройки сложного оборудования, когда можно просто применить знакомое и простое, но более скоростное оборудование Ethernet. Значительный вклад в «победу» Ethernet внесли также коммутаторы локальных сетей, так как их успех привел к отказу от разделяемой среды, где технология Ethernet всегда была уязвимой из-за случайного характера метода доступа. Начиная с версии 10G Ethernet, раз работчики перестали включать вариант работы на разделяемой среде в описание стандарта. Коммутаторы с портами Fast Ethernet, Gigabit Ethernet и 10G Etherhet работают по одному и тому же алгоритму, описанному в стандарте IEEE 802.ID. Возможность комбинировать порты с различными скоростями в диапазоне от 10 Мбит/с до 10 Гбит/с делает коммута торы Ethernet ги б к и й и эффективными сетевыми устройствами, позволяющими строить разнообразные сети. Повышение скорости работы Ethernet было достигнуто за счет улучшения качества кабе лей, применяемых в компьютерных сетях, а также совершенствования методов кодирова ния данных при их передаче по кабелям, то есть за счет совершенствования физического уровня технологии. Скоростные версии Ethernet 427 Fast Ethernet История создания В 1992 году группа производителей сетевого оборудования, включая таких лидеров тех нологии Ethernet, как SynOptics, 3Com и ряд других, образовала некоммерческое объеди нение Fast Ethernet Alliance для разработки стандарта новой технологии, которая должна была обеспечить резкое повышение производительности при максимально возможном сохранении особенностей технологии Ethernet. В комитете 802 института IEEE в это же время была сформирована исследовательская группа для изучения технического потенциала новых высокоскоростных технологий. За период с конца 1992 года и по конец 1993 года группа IEEE изучила 100-мегабитные решения, предложенные различными производителями. Наряду с предложениями Fast Ethernet Alliance группа рассмотрела также и высокоскоростную технологию, предложен ную компаниями Hewlett-Packard и AT&T. В центре дискуссий была проблема сохранения метода случайного доступа CSMA/CD. Предложение Fast Ethernet Alliance сохраняло этот метод и тем самым обеспечивало преем ственность и согласованность сетей со скоростями 10 Мбит/с и 100 Мбит/с. Коалиция HP и AT&T, которая заручилась поддержкой значительно меньшего числа производителей в се тевой индустрии, чем Fast Ethernet Alliance, предложила совершенно новый метод доступа, названный приоритетным доступом по требованию (demand priority). Он существенно менял картину поведения узлов в сети, поэтому не смог вписаться в технологию Ethernet и стандарт 802.3; для его стандартизации был организован новый комитет IEEE 802.12. Осенью 1995 года обе технологии стали стандартами IEEE. Комитет IEEE 802.3 принял спецификацию Fast Ethernet в качестве стандарта 802.3и, который не является самостоя тельным стандартом, а представляет собой дополнение к существующему стандарту 802.3 в виде глав с 21 по 30. Комитет 802.12 принял технологию 100VG-AnyLAN, в которой использовался приоритетный доступ по требованию и поддерживались кадры двух фор матов — Ethernet и Token Ring. Технологии Fast Ethernet и 100VG-AnyLAN в первые месяцы своего существования рас сматривались как равные соперники, но очень скоро стало ясно, что пользователи предпо читают более простую и знакомую технологию Fast Ethernet. Вскоре технология 100VG- AnyLAN прекратила свое существование; немаловажным фактором этого стал и переход локальных сетей на полностью коммутируемые версии, сводящий «на нет» преимущества более совершенного метода доступа технологии 100VG-AnyLAN. Физические уровни технологии Fast Ethernet Все отличия технологий Fast Ethernet и Ethernet сосредоточены на физическом уровне (рис. 13.17). Уровни MAC и LLC в Fast Ethernet остались абсолютно теми же, и их опи сывают прежние главы стандартов 802.3 и 802.2. Поэтому, рассматривая технологию Fast Ethernet, мы будем изучать только несколько вариантов ее физического уровня. Организация физического уровня технологии Fast Ethernet является более сложной, по скольку в ней используются три варианта кабельных систем: □ волоконно-оптический многомодовый кабель (два волокна); □ витая пара категории 5 (две пары); □ витая пара категории 3 (четыре пары). 428 Глава 13. Коммутируемые сети Ethernet Стек протоколов Стек протоколов Ethernet Fast Ethernet Рис. 13.17. Отличия технологий Fast Ethernet и Ethernet Коаксиальный кабель, давший миру первую сеть Ethernet, в число разрешенных сред передачи данных новой технологии Fast Ethernet не попал. Это общая тенденция многих новых технологий, поскольку на небольших расстояниях витая пара категории 5 позволяет передавать данные с той же скоростью, что и коаксиальный кабель, но сеть получается более дешевой и удобной в эксплуатации. На больших расстояниях оптическое волокно обладает гораздо более широкой полосой пропускания, чем коаксиал, а стоимость сети получается ненамного выше, особенно если учесть высокие затраты на поиск и устранение неисправностей в крупной кабельной коаксиальной системе. Официальный стандарт 802.3 установил три различных спецификации для физического уровня Fast Ethernet и дал им следующие названия (рис. 13.18): □ 100Base-TX для двухпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP категории 5 или экранированной витой паре STP типа 1; □ 100Base-T4 для четырехпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP кате гории 3,4 или 5; □ 100Base-FX для многомодового оптоволоконного кабеля с двумя волокнами. Для всех трех стандартов справедливы перечисленные далее утверждения и характери стики. щедм&ш кадю э технологии ДО мегабитнойсети Ethernet Скоростные версии Ethernet 429 Подуровень LLC Подуровень MAC Согласование Интерфейс МП Физический уровень 100Base-FX 100Base-TX 100Base-T4 ^ Оптоволокно £ ^ Витая пара £ ^ Витая пара £ Рис. 13.18. Структура физического уровня Fast Ethernet Межкадровый интервал равен 0,96 мкс, а битовый интервал — 10 нс. Все временное параметры алгоритма достуоа(интервал отсрочки, время передачи кадра минимальной длины и т. п.), из меренные а битовіадинт^іалан, Признаком свободного состояния среды является передача по ней символа простоя источни ка — С 0 о т а # т ^ в у ю ^ г^ ^ ^ ко^а іа не отсутствие сигналов, как а стандартах Ethernet со ckgpoctw q ЛІ) ЦЬт/о), Физический уровень включает три элемента. □ Независимый от среды интерфейс (Media Independent Interface, МП). □ Уровень согласования нужен для того, чтобы уровень MAC, рассчитанный на интер фейс AUI, мог работать с физическим уровнем через интерфейс МИ. □ Устройство физического уровня (Physical Layer Device, PHY) состоит, в свою очередь, из нескольких подуровней (см. рис. 13.17): О подуровня логического кодирования данных, преобразующего поступающие от уровня MAC байты в символы кода 4В/5В или 8В/6Т (первый метод кодирования используются в версиях 100Base-TX и 100Baase-FX, второй — в версии lOOBase- Т4); О подуровней физического присоединения и зависимости от физической среды (PMD), которые обеспечивают формирование сигналов в соответствии с методом физического кодирования, например NRZI или MLT-3; О подуровня автопереговоров, который позволяет двум взаимодействующим портам автоматически выбрать наиболее эффективный режим работы, например полуду плексный или дуплексный (этот подуровень является факультативным). Интерфейс МП поддерживает независимый от физической среды способ обмена данными между подуровнем MAC и подуровнем PHY. Этот интерфейс аналогичен по назначению интерфейсу AUI классического стандарта Ethernet за исключением того, что интерфейс AUI располагался между подуровнем физического кодирования сигнала (для любых вари антов кабеля использовался одинаковый метод физического кодирования — манчестерский код) и подуровнем физического присоединения к среде, а интерфейс МП располагается 430 Глава 13. Коммутируемые сети Ethernet между подуровнем MAC и подуровнями кодирования сигнала, которых в стандарте Fast Ethernet три: FX, ТХ и Т4. Версия 100Base-T4 носила промежуточный характер, так как она позволяла повысить скорость классического варианта Ethernet в 10 раз, не меняя кабельную систему здания. Так как большинство предприятий и организаций достаточно быстро заменили кабели категории 3 кабелями категории 5, то необходимость в версии 100Base-T4 отпала, и обо рудование с такими портами перестало выпускаться. Поэтому далее мы рассмотрим детали только спецификаций 100Base-FX и 100Base-TX. Спецификация 100Base-FX определяет работу протокола Fast Ethernet по многомодово му оптоволокну в полудуплексном и дуплексном режимах. В то время как в Ethernet со скоростью передачи 10 Мбит/с используется манчестерское кодирование для представ ления данных, в стандарте Fast Ethernet определен другой метод кодирования — 4В/5В, который мы рассматривали в главе 9. Этот метод к моменту разработки технологии Fast Ethernet уже показал свою эффективность в^етях FDDI, поэтому он без изменений был перенесен в спецификацию 100Base-FX/TX. Напомним, что в этом методе каждые четыре бита данных подуровня MAC (называемых символами) представляются пятью битами. Избыточный бит позволяет применить потенциальные коды при представлении каждого из пяти битов в виде электрических или оптических импульсов. Существование запрещенных комбинаций символов позволяет отбраковывать ошибочные символы, что повышает устойчивость работы сетей 100Base-FX/TX. Так, в Fast Ethernet признаком того, что среда свободна, стала повторяющаяся передача одного из запрещенных для кодирования пользовательских данных символа, а именно символа простоя источника Idle (11111). Такой способ позволяет приемнику всегда находиться в синхронизме с пере датчиком. Для отделения кадра Ethernet от символов простоя источника используется комбинация символов начального ограничителя кадра — пара символов J (11000) и К (10001) кода 4В/5В, а после завершения кадра перед первым символом простоя источника вставляется символ Т (рис. 13.19). т яр Преамбула ■ SFD DA SA Данные CRC m JK — ограничитель начала потока значащих символов Т — ограничитель конца потока значащих символов Первый байт преамбулы Рис. 13.19. Непрерывный поток данных спецификаций 100Base-F)tyTX После преобразования 4-битных порций кодов MAC в 5-битные порции физического уров ня их необходимо представить в виде оптических или электрических сигналов в кабеле, соединяющем узлы сети. В спецификациях 100Base-FX и 100Base-TX для этого исполь зуются, соответственно, методы физического кодирования NRZI и MLT-3. В спецификации 100Ва$е-ТХ в качестве среды передачи данных используется витая пара UTP категории 5 или STP типа 1. Основным отличием от спецификации 100Base-FX (на ряду с методом кодирования MLT-3) является наличие схемы автопереговоров для выбора режима работы порта» Схема автопереговоров позволяет двум физически соединенным устройствам, которые поддерживают несколько стандартов физического уровня, отличающихся битовой скоро стью и количеством витых пар, согласовать наиболее выгодный режим работы. Обычно |