Конспект лекций

для всех рабочих станций, к которому они все должны быть подключены. Все рабочие станции могут непосредственно вступать в контакт с любой рабочей станцией, имеющейся в сети. Рабочие станции в любое время без прерывания работы всей вычислительной сети могут быть подключены к ней или отключены от нее. Функционирование вычислительной сети не зависит от состояния отдельной рабочей станции.

Файловый

сервер

Рис. 4.5. Шинная топология

Встандартной ситуации для шинной сети Ethernet часто используют тонкий кабель или Cheapernet-кaбeль с тройниковым соединителем. Выключение и особенно подключение к такой сети требуют разрыва шины, что вызывает нарушение циркулирующего потока информации и зависание системы. Новые технологии предлагают пассивные штепсельные коробки, через которые можно отключать и/или включать рабочие станции во время работы вычислительной сети.

Благодаря тому, что рабочие станции можно включать без прерывания сетевых процессов и коммуникационной среды, очень легко прослушивать информацию (т. е. ответвлять информацию из коммуникационной среды).

Всетях с прямой (немодулируемой) передачей информации всегда может существовать только одна станция, ее передающая. Для предотвращения коллизий в большинстве случаев применяется временной метод разделения, согласно которому каждой подключенной рабочей станции в определенные моменты времени предоставляется исключительное право на использование канала передачи данных. Поэтому требования к пропускной способности вычислительной сети при повышенной нагрузке снижаются.

Всетях с модулированной широкополосной передачей информации различные рабочие станции получают по мере надобности частоту, на которой они могут отправлять и получать информацию. Пересылаемые данные модулируются на соответствующих несущих частотах, т. е. между средой передачи информации и рабочими станциями находятся, соответственно, модемы для модуляции и для демодуляции. Техника широкополосных сообщений позволяет одновременно транспортировать в коммуникационной среде довольно большой объем информации.

Характеристики топологий вычислительных сетей приведены в табл. 4.1.

Древовидная структура сети. Наряду с известными топологиями вычислительных сетей (кольцо, звезда и шина) на практике применяются и комбинированные структуры. Они образуются в основном в виде комбинаций ранее названных топологий вычислительных сетей. Основание дерева вычислительной сети располагается в точке (корень), в которой собираются коммуникационные линии информации (ветви дерева).

Тема 5. Технологии вычислительных сетей

Лекция 18. Базовые технологии вычислительных сетей

Основной сетевой технологией, получившей наиболее широкое распространение на сегодняшний день, является технология Gigabit Ethernet. В настоящем издании пособия рассматривается только эта технология.

Довольно быстро после появления технологии Fast Ethernet сетевые интеграторы и администраторы почувствовали определенные ограничения (в основном в отношении пропускной способности) при построении корпоративных сетей. Ощущалась потребность в следующем уровне иерархии скоростей.

Летом 1996 г. было объявлено о создании группы 802.3z для разработки протокола, максимально подобного Ethernet, но обеспечивающего битовую скорость 1000 Мбит/с.

Первая версия стандарта была рассмотрена в январе 1997 г., а окончательно стандарт 802.3z был принят 29 июня 1998 г. на заседании Комитета

IEEE 802.3.

При разработке Gigabit Ethernet ставилась задача совместимости с более ранними реализациями Ethernet. Данная задача была выполнена, в результате чего Gigabit Ethernet сохранил следующие характеристики технологий Ethernet и Fast Ethernet:

форматы кадров Ethernet;

полудуплексная версия протокола, поддерживающая метод доступа CSMA/CD, вместе с тем поддерживается и полнодуплексная версия, работающая с коммутаторами;

поддержка всех основных видов кабелей, используемых в Ethernet и Fast Ethernet (волоконно-оптический кабель, витая пара категории 5).

В связи с обеспечением перечисленных характеристик перед разработчиками Gigabit Ethernet возникли следующие серьезные проблемы:

Обеспечение приемлемого диаметра сети для полудуплексного ре-

жима работы. В связи с ограничениями, накладываемыми методом CSMA/CD на длину кабеля, версия Gigabit Ethernet для разделяемой среды допускала бы длину сегмента всего в 25 м при сохранении размера кадров и всех параметров метода CSMA/CD неизменным, что в большинстве случаев является неприемлемым.

Достижение битовой скорости 1000 Мбит/с на основных типах кабелей. Даже для оптоволокна достижение планируемой скорости передачи данных в 1000 Мбит/с представляет некоторые проблемы, так как технология Fibre Channel, физический уровень которой был взят за основу для оптоволоконной версии Gigabit Ethernet, обеспечивает скорость передачи данных всего в 800 Мбит/с.

Однако самая сложная задача заключалась в обеспечении поддержки кабеля на витой паре, что, на первый взгляд, кажется неразрешимым. Однако эта проблема была успешно решена.

Для решения перечисленных проблем и обеспечения преемственности с низкоскоростными реализациями Ethernet разработчикам технологии Gigabit Ethernet пришлось внести изменения не только в физический уровень, но и в уровень MAC.

Архитектура стандарта Gigabit Ethernet. На рис. 4.6 показана структура уровней Gigabit Ethernet. В Gigabit Ethernet не существует

символы (code groups). Кроме того, в выходном последовательном потоке присутствуют специальные контрольные 10-битные символы. При подключении интерфейса 1000Base-T подуровень PCS осуществляет специальное помехоустойчивое кодирование – линейный код TX/T2,

разработанный компанией «Level One Communications».

Два сигнала состояния линии – сигнал наличия несущей и сигнал отсутствия коллизий – генерируются этим подуровнем.

Подуровни PMA и PMD. Физический уровень Gigabit Ethernet использует несколько интерфейсов, включая традиционную витую пару категории 5, а также оптоволокно (многомодовое или одномодовое). Подуровень PMA преобразует параллельный поток символов от PCS в последовательный поток и выполняет обратное преобразование (распараллеливание) входящего последовательного потока от PMD.

Уровень MAC Gigabit Ethernet. Уровень MAC стандарта Gigabit Ethernet

использует протокол доступа к среде CSMA/CD.

В стандарте Ethernet IEEE 802.3 принят минимальный размер кадра 64 байт. Поскольку в Gigabit Ethernet кадр минимального размера может передаваться в 100 раз быстрее, чем в классической сети Ethernet, максимальная длина сегмента должна быть, соответственно, уменьшена в 100 раз и в этом случае составит 25 м, что является неприемлемо малой величиной.

Для увеличения максимального диаметра сети Gigabit Ethernet в полудуплексном режиме минимальный размер кадра был увеличен с 64 до 512 байт или до 4096 bt. Соответственно, диаметр сети стало возможным увеличить до 200 м при использовании одного повторителя. Подобная мера получила название «расширение носителя» (carrier extension).

Формат кадра Gigabit Ethernet при использовании расширения носителя показан на рис. 4.7.

512 байт (min) ... 1518 байт (max)

Расширенный кадр Gigabit Ethernet: скорость передачи 1 бит/нс

SFD: Start of frame Delimiter – ограничитель начала кадра DA: Destination Address – адрес назначения

SA: Source Address – адрес источника

L: длина поля данных (для кадра 802.3) T: тип поля данных (для кадра Ethernet II)

FCS: Frame Check Sequence – контрольная последовательность кадра

Рис. 16.2. Формат кадров Gigabit Ethernet

При передаче короткого кадра длиной менее 512 байт к кадру добавляется поле расширения, дополняющее длину кадра до 512 байт. При приеме кадра поле расширения отбрасывается. Если размер кадра равен или превосходит 512 байт, поле расширения носителя отсутствует.

Расширение носителя – наиболее естественное решение, позволившее сохранить совместимость со стандартом Fast Ethernet и такой же диаметр домена коллизий. Но оно может привести к излишней трате полосы пропускания. Так, до 448 байт (512–64) может расходоваться вхолостую при передаче короткого кадра.

На стадии разработки стандарта Gigabit Ethernet было внесено предложение по его модернизации. Эта модернизация, получившая название «пакетная перегруженность» (Burst Mode), позволяет эффективней использовать поле расширения. Если у станции/коммутатора имеется несколько небольших кадров для отправки, первый кадр дополняется полем расширения носителя до 512 байт. Остальные кадры не расширяются и отправляются вслед с минимальным межкадровым интервалом в 96 бит, при этом межкадровый интервал заполняется символами расширения (рис. 4.8, а).

б

Символы расширения носителя

Промежуток между кадрами, заполненный символами расширения

Рис. 16.3. Пакетная перегруженность

Таким образом, среда остается занятой между посылками коротких оригинальных кадров, и никакое другое устройство сети не может захватить среду для собственной передачи. Такое пристраивание кадров может происходить до тех пор, пока полное число переданных байт не превысит 1518. Если станция начала передавать кадр, а предел в 1518 байт был достигнут до окончания передачи, кадр разрешается передать до конца. Таким образом, пакет кадров имеет переменный размер, однако его максимальная длина не превышает 3017 байт.

Помимо обеспечения более эффективного использования полосы пропускания пакетная перегруженность позволяет уменьшить вероятность образования коллизий (рис. 4.8, б).

Спецификации физической среды Gigabit Ethernet. Всего опреде-

лены четыре различных типа физических интерфейсов среды (рис. 4.9). Интерфейс 1000Base-X основывается на стандарте физического

уровня Fibre Channel.

Рис. 16.4. Спецификации физической среды Gigabit Ethernet

1.Спецификация 1000Base-LX. Определяет использование полупроводниковых лазеров с допустимой длиной излучения в пределах диапазона 1270...1355 нм. Основная область применения стандарта 1000Base-LX – одномодовое оптоволокно. Максимальная длина кабеля в этом случае сос-тавляет 5000 м. Тем не менее спецификация 1000Base-LX может работать и на многомодовом кабеле. В этом случае предельное расстояние составляет 550 м.

2.Спецификация 1000Base-SX. Специфицирует использование лазеров с допустимой длиной излучения в пределах диапазона 770...860 нм на многомодовых кабелях. Применение светодиодов с длиной волны 850 нм объясняется тем, что они намного дешевле, чем светодиоды, работающие на волне 1300 нм, хотя при этом максимальная длина кабеля уменьшается. Для спецификации 1000Base-SX предельная длина оптоволоконного сегмента для кабеля 62,5/125 cоставляет 220 м, для кабеля 50/125 – 500 м. Приведенные значения могут достигаться только при полнодуплексной передаче данных. Для полудуплексной передачи максимальные значения сегментов оптоволоконного кабеля всегда должны быть меньше 100 м. Приведенные расстояния в 220 и 500 м рассчитаны для худшего по стандарту случая полосы пропускания многомодового кабеля. Реальные кабели обычно обладают значительно лучшими характеристиками, находящимися между 600 и 1000 МГц/км. В этом случае можно увеличить длину кабеля до (примерно) 800 м.

3.Спецификация 1000Base-СX. В качестве среды передачи данных используется высококачественный твинаксиальный кабель (Twinax) с волновым сопротивлением 150 Ом (2x75 Ом), представляющий собой экранированную витую пару STP. Данные посылаются одновременно по паре проводников, каждый из которых окружен экранирующей оплеткой. При этом реализуется режим полудуплексной передачи. Для обеспечения полнодуплексной передачи необходимы еще две пары проводников.

Выпускается специальный кабель, содержащий четыре проводника, – Quadкабель. Максимальная длина твинаксиального сегмента составляет 25 м.

4. Спецификация 1000Base-T. Каждая пара кабеля категории 5 имеет гарантированную полосу пропускания до 100 МГц. Для передачи по такому кабелю данных со скоростью 1000 Мбит/с было решено организовать параллельную передачу одновременно по всем четырем парам кабеля, что позволило уменьшить скорость передачи данных по каждой паре до 250 Мбит/с. Однако и для такой скорости необходимо было разработать метод кодирования, который имел бы спектр не выше 100 МГц. Кроме того, одновременное использование четырех пар, на первый взгляд, лишает сеть возможности распознавания коллизий. Оба этих вопроса были успешно решены.

Для кодирования данных применяется код РАМ5, использующий пять уровней потенциала: –2, –1, 0, +1, +2. Поэтому за один такт по одной паре передается 2 бит информации, использующих четыре потенциала, пятое значение потенциала применяется для создания избыточности кода. Следовательно, тактовую частоту вместо 250 МГц можно снизить до 125 МГц. При этом, если использовать не все коды, а передавать 8 бит за такт (по четырем парам), то выдерживается требуемая скорость передачи в 1000 Мбит/с и еще остается запас неиспользуемых кодов. Оставшиеся комбинации приемник может использовать для контроля принимаемой информации и выделения правильных комбинаций на фоне шума. Код РАМ5 на тактовой частоте 125 МГц укладывается в полосу 100 МГц кабеля категории 5.

Для распознавания коллизий и организации полнодуплексного режима используется техника, применяемая при организации дуплексного режима на одной паре проводов в современных модемах и аппаратуре ISDN. Вместо передачи по разным парам проводов или разнесения сигналов двух одновременно работающих навстречу передатчиков по диапазону частот оба передатчика работают навстречу друг другу по каждой из четырех пар в одном и том же диапазоне частот, так как используют один и тот же потенциальный код РАМ5 (рис. 4.10).

Рис. 16.5. Двунаправленная передача по четырем парам UTP Cat 5

Схема гибридной развязки H позволяет приемнику и передатчику одного и того же узла использовать одновременно витую пару и для приема, и для передачи. Для отделения принимаемого сигнала от своего собственного приемник вычитает из результирующего сигнала известный ему свой сигнал.

Сводная информация о спецификациях физической среды технологии

Gigabit Ethernet сведена в табл. 4.3.

Контроль потока в Gigabit Ethernet. При передаче данных на скорости 1000 Мбит/с возможны различные косвенные проблемы, связанные с высокой скоростью информационного обмена. Например, если приемник в течение всего лишь 1 мс не успеет освободить буфер, он пропустит прием примерно 1953 кадра. Возможна и другая ситуация: один компьютер выдает данные по гигабитной сети, а другой – принимает их по классическому Ethernet. Крайне вероятно, что принимающая сторона не сможет корректно обработать входящие данные. Исходя из возможности возникновения перечисленных проблем было принято решение о внедрении в технологию

Gigabit Ethernet процедуры контроля потока.

Для реализации контроля потока одна из сторон посылает служебный кадр, сообщающий о том, что второй стороне необходимо приостановиться