Учебник Тема № 1.

Общие принципы проектирования локальной сети. Современная локальная сеть. Определение потребностей – первый и наиболее важный шаг при проектировании сети. Виды локальных сетей. Типы и характеристики локальной сети. Основные этапы проектирования локальной сети.

Все, что нужно знать и иметь для создания локальной сети: топологии, кабели, протоколы, адреса, сетевые карты и сетевое оборудование.

Компьютерной сетью можно считать соединение двух и более компьютеров с помощью кабеля или телефонной линии и модема, при котором становится возможен обмен данными между ними. Компьютеры, расположенные в одном помещении или здании и связанные между собой, называют локальной компьютерной сетью (LAN – Local Area Network). Количество компьютеров, подключенных к таковой сети, ограничивается возможностями применяемой кабельной системы и сетевого оборудования. Несколько локальных компьютерных сетей при объединении образуют кампусную сеть (CAN – Campus Area Network), например, локальные сети расположенных по соседству зданий или корпусов одного предприятия или учебного заведения. MAN (Metropolitan Area Network) – сеть уже городского масштаба, к которой могут быть подключены несколько кампусных или локальных сетей предприятий и организаций. WAN (Wide Area Network) – широкомасштабная сеть, охватывающая, например, несколько городов, область или край. GAN (Global Area Network) – глобальная компьютерная сеть – это объединение нескольких широкомасштабных компьютерных сетей, например, в масштабе страны. И, наконец, сетью всех сетей является Интернет, в состав которого входят Всемирная Компьютерная Паутина (World Wide Web), система электронной почты и другие системы хранения и передачи информации.

Оборудование, необходимое для построения различных компьютерных сетей.

Для реализации сетевых возможностей необходимо соединить два и более компьютеров в локальную сеть. Какой бы способ соединения вы не выбрали, вам не обойтись без дополнительного оборудования. В случае если вы будете использовать для связи прямое кабельное соединение, потребуется многожильный кабель и разъемы для подключения его к COM- или LPT-портам компьютеров. Обычно используются разъемы типа DB-9 или DB-25. Более подробно о том, как объединить два компьютера в сеть с помощью прямого кабельного соединения, мы расскажем в одной из следующих глав.

Если у вас имеется телефонная линия, то, чтобы подсоединиться к другому компьютеру или к Интернету, вам нужен модем, который необходимо подключить к свободному COM- или USB-порту или установить в слот на материнской плате, после чего настроить модем на соединение с Интернетом или другим компьютером. Подробно об этом будет рассказано далее.

И, наконец, если вы хотите создать локальную компьютерную сеть в своем подъезде, доме или офисе, то вам потребуются сетевые карты, кабель необходимой длины, а также могут потребоваться хабы, свитчеры и репитеры, в зависимости от протяженности и разветвленности вашей сети. Более подробно со всеми этими устройствами и особенностями их подключения мы познакомимся далее.

Локальная сеть представляет собой коммуникационную систему, обеспечивающую высокоскоростной обмен данными между несколькими компьютерами в пределах ограниченной территории. В отличие от нее, глобальная сеть (Wide Area Network, сокращенно - WAN) может простираться на сотни и тысячи километров. Обе разновидности компьютерных сетей имеют много общего в программном обеспечении, но отличаются используемыми телекоммуникационными каналами и оборудованием связи.

В данной главе мы рассмотрим вопросы установки и настройки локальных сетей на основе наиболее распространенных технологий и оборудования. Некоторые вопросы, касающиеся способов организации и функционирования компьютерных сетей, кратко затронутые здесь, в дальнейшем будут обсуждаться более подробно.

Принципы построения локальных сетей.

При построении локальных компьютерных сетей необходимо учитывать множество различных факторов, например, количество объединяемых в сеть компьютеров, удаленность их друг от друга, обеспечение конфиденциальности передаваемых по сети данных и т.д. Поэтому для выбора наиболее подходящей в каждом конкретном случае структуры сети необходимо знать, какие бывают сети, и познакомиться с основными понятиями, используемыми при описании компьютерных сетей. К таким понятиям относятся:

- сетевые компоненты;

- способы организации сети, определяющие возможность доступа компьютера к данным, передаваемым по сети и хранящимся на других сетевых компьютерах;

- роли компьютеров в сети;

- топология компьютерной сети;

- технология компьютерной сети;

- тип кабельной системы, используемой для соединения компьютеров;

- соединение сетей и маршрутизация.

Сетевые компоненты.

Основными компонентами локальной сети являются узлы (Node), связанные между собой соединительным кабелем, который иначе называется сегментом (Segment) (Рис. 1.1.)

Р ис. 1.1. Основные компоненты локальной сети.

В сетевых узлах чаще всего находятся компьютеры, однако может располагаться и другое оборудование, например:

- сетевой принтер;

- концентратор;

- повторитель;

- мост;

- маршрутизатор.

Этот список может быть продолжен. Но даже здесь встречаются много новых терминов. Подробно разъяснять их значения сейчас не имеет смысла, так как они будут рассматриваться в соответствующих разделах книги.

Способы организации компьютерной сети.

Компьютерные сети, в зависимости от роли каждого конкретного подключенного к сети компьютера, делятся на два вида:

- одноранговые;

- иерархические.

В одноранговой сети все компьютеры имеют равные права. И каждый пользователь делает доступными или недоступными для общего использования ресурсы своего компьютера: файлы, принтеры и т.п. В такой сети компьютеры находят друг друга по имени или уникальному адресу и этого оказывается для нормальной работы сети.

В иерархической сети права доступа отдельного компьютера к сетевым ресурсам и адресация, т.е. присвоение каждому конкретному компьютеру, входящему в сеть, уникального адреса, регулируется выделенным сервером. Сервер, с помощью специальных программных средств, следит за тем, чтобы адреса в сети не повторялись, и чтобы информация, посланная с одного компьютера, попала адресату и была недоступна другим пользователям сети. Управление правами доступа и распределение сетевых адресов называется администрированием и выполняется специалистами – сетевыми администраторами.

Роли компьютеров в сети.

Компьютер, подключенный к локальной сети, может называться по-разному, в зависимости от основных выполняемых им функций:

- рабочая станция (Workstation);

- сервер (Server).

Рабочая станция представляет собой обычный компьютер, предназначенный для работы конечного пользователя. Рабочая станция использует только доступные для нее ресурсы локальной сети.

Сервер выполняет определенные действия по запросам рабочих станций, предоставляя им свои ресурсы, например, дисковое пространство, вычислительную мощность процессора, принтер, модем и другое оборудование.

На самом деле, если рассмотреть вопрос еще глубже, все взаимодействия в сети происходят на уровне программ. Это выглядит примерно так: программа-сервер получает по сети запрос от программы-клиента с рабочей станции, обрабатывает его и посылает ответ.

Разновидности серверов.

Чаще всего название сервера включает и наименование его основной функции:

- файловый сервер;

- сервер печати;

- почтовый сервер;

- сервер новостей;

- Web-сервер;

- сервер баз данных;

- факс-сервер и т.д.

Серверы также могут классифицироваться по признаку, указывающему на характер его использования:

- выделенный сервер;

- невыделенный сервер.

Выделенный сервер в локальной сети предназначен исключительно для предоставления своих ресурсов в общее пользование, а не для непосредственной работы на нем, поэтому может полноценно функционировать без монитора и клавиатуры. Обычно он обладает повышенной мощностью и надежностью аппаратуры, а также используемого программного обеспечения. В качестве операционной системы выделенного сервера чаще всего используются:

- Microsoft Windows 2000 Server;

- Microsoft Windows 2003 Server;

- Linux, FreeBSD, Sun Solaris и другие разновидности Unix;

- Novell NetWare.

Проектирование сети не должно представлять трудности. Если вы не имеете опыта в сетевой области, многие опции и компромиссы, связанные с инсталляцией ЛС, могут показаться пугающими. Между тем опытные сетевые интеграторы, знакомые с ограничениями каждого сетевого компонента и кабельной системы, уже после нескольких коротких вопросов могут сказать, какой из вариантов сети будет лучше всего отвечать вашим потребностям, как по стоимости, так и по производительности.

Данная глава представляет собой обзор современных сетевых технологий, стандартных методов и правил, применяемых сетевыми интеграторами при инсталляции сетей.

Масштаб сети.

Насколько сложная и крупная сеть вам необходима? Сколько серверов вам нужно? Один, несколько, или можно обойтись без них? Требуется ли специальное сетевое оборудование: мосты, маршрутизаторы и базовые магистрали? Нуждаются ли пользователи сети в высокой пропускной способности, а, следовательно – в высокопроизводительной (и дорогой) сети?

Определение потребностей – первый и наиболее важный шаг при проектировании сети. Данный раздел поможет собрать информацию, необходимую для построения сети.

Нужно ответить на следующие вопросы:

- Каково число клиентских компьютеров?

- Насколько удалены компьютеры друг от друга?

- Какое программное обеспечение уже используется?

- Какие продукты будут применяться в дальнейшем?

- Каковы специальные требования?

- Какими финансовыми ресурсами вы располагаете?

Определение числа клиентских компьютеров.

Число клиентских компьютеров – наиболее важный фактор при проектировании сети. Многое определяется именно размером сети. Существуют пять основных архитектур, значительно отличающихся друг о друга. Поддерживаемое число клиентов играет в их выборе немаловажную роль, но не всегда является определяющим фактором. Одним необходима архитектура клиент/сервер всего лишь с четырьмя машинами. Других вполне устроит одноранговая сеть с 30 станциями. Тем не менее, приводимые здесь рекомендации позволят оценить, какой именно тип сети следует проектировать.

При проектировании сети необходимо учитывать и те компьютеры, которые планируется добавлять к ней в будущем. Например, если уже имеются 9 машин, но в ближайшие два года их число может удвоиться, то следует выбрать сеть с одним сервером, а не одноранговую сетевую среду. Конечно, это не избавит от необходимости со временем перепроектировать сеть заново: технологии меняются столь быстро, что существующие компьютеры и программное обеспечение быстро устаревают. Десять лет – это максимальный «срок жизни» любой сетевой технологии, хотя иногда он может увеличиваться. К нынешнему числу компьютеров нужно прибавить количество машин, которыми дополнится сеть в ближайшие три года.

В следующих разделах рассмотрим, какой размер сети лучше всего подойдет для вашей организации.

Одноранговая сеть (от 2 до 10 пользователей).

Одноранговая сеть обеспечивает базовые соединения между компьютерами, но в ней нет центральной машины, выполняющей роль сервера. Не обеспечиваются также многие из средств защиты, характерных для централизованной сети клиент/сервер.

Если у вас небольшое число пользователей, и защита не имеет особого значения, обратите внимание на одноранговую сеть, показанную на рис. 5.1. Большинство операционных систем, включая Windows for Workgroups, Windows 95, Macintosh, OS/2 Warp и Novell DOS, имеет встроенные одноранговые сетевые средства, и для создания такой сети не обязательно покупать дополнительное программное обеспечение.

Р ис. 5.1. Одноранговая сеть не имеет специализированного сервера.

Одноранговые сети хорошо подходят для:

- совместной работы с файлами

- разделения принтеров

- электронной почты

- создания недорогой сети

- простой инсталляции

и плохо отвечают таким потребностям, как:

- защита

- резервное копирование

- организация данных

- приложения баз данных

- создание крупных сетей

- простое администрирование

- доступ к Internet/глобальным сетям

Сеть с одним сервером (от 10 до 50 пользователей.)

Если в организации меньше 50 сотрудников, ее сможет обслуживать один сервер. Это позволит централизовать ряд служб и поддерживать во всей сети сильную защиту. Организация сети с одним сервером дает также ряд весьма ценных по сравнению с многосерверной сетью, преимуществ, среди которых простая сегментация. Односерверная сеть представлена на рис. 5.2.

Р ис. 5.2. В односерверной сети имеется компьютер, выделенный для обслуживания файлов.

Для работы односерверной сети необходимо приобрести сетевую операционную систему, например Windows NT, NetWare или OS/2 Warp Server. (Это программное обеспечение функционирует на сервере и превращает его в «обслуживающий узел» сети.) Таким образом, именно ОС отличает сервер от клиента сети.

Односерверные сети хорошо подходят для следующих целей:

- централизация файловых служб

- сетевая печать

- электронная почта

- приложения управления документооборотом и системы коллективного пользования

- защита с помощью регистрации

- архивирование

- организация данных

- простая инсталляция

- простота администрирования

- доступ к Internet/глобальной сети

Они не очень подходят для:

- обслуживания приложений

- организация с распределенной структурой

- крупных организаций

Многосерверные сети (от 50 до 250 пользователей).

Односерверные сети прекрасно отвечают потребностям небольших сетей, включающих около 50 узлов. Между тем при расширении сети возникает необходимость в дополнительных серверах. В этом случае нужно создать многосерверную сеть (см. рис. 5.3.).

При использовании многосерверной сети нужно предусмотреть возможность появления узких мест, заторов в сетевом трафике и т.д.

Рис. 5.3. Многосерверная сеть с несколькими специализированными серверами.

Многосерверные сети хорошо подходят для следующих целей:

- централизация файловых служб

- сетевая печать

- электронная почта

- приложения управления документооборотом и системы коллективного пользования

- защита с помощью регистрации

- службы приложений

- крупные базы данных

- доступ к Internet/глобальным сетям

Они не очень подходят для:

- компаний с ограниченным бюджетом

- простой инсталляции

- организации данных

- простого администрирования

Многосерверная высокоскоростная магистральная сеть (от 250 до 1000 пользователей).

При наличии более 250 клиентов планирование сети превращается в значительно более трудную задачу. Обычно такое число клиентов распределено на большей площади, чем может поддерживать центральный вычислительный центр. Географический фактор требует создания распределенной сети с большим числом серверов (см. рис. 5.4.). Обычно коммуникации в сети подобного размера осуществляются через высокоскоростную магистраль, связывающую серверы. Высокопроизводительные магистральные сети, как правило, значительно дороже описанных выше небольших сетей.

Высокоскоростные магистральные сети хорошо подходят для:

- централизованных файловых служб

- сетевой печати

- электронной почты

- приложения управления документооборотом и системы коллективного пользования

- защиты с помощью регистрации

- служб приложений

- крупных базы данных

- доступа к Internet/глобальным сетям

Они не очень подходят для:

- компаний с ограниченным бюджетом

- простой инсталляции

- организации данных

Рис. 5.4. Сети с магистральными каналами обслуживают крупные организации.

Сеть масштаба предприятия (более 1000 пользователей).

Сети масштаба предприятия слишком велики, чтобы их можно было рассматривать как одну сеть. Если число пользователей превосходит 1000, лучше разбить сеть на несколько взаимодействующих сетей, имеющих разные службы каталогов и организованные в соответствии со структурой компании, например, по зданиям или по отделам.

Затем более мелкие сети проектируются согласно описанным выше критериям и соединяются с помощью устройств межсетевого взаимодействия. Иногда в роли крупных серверов выступают мэйнфреймы или миникомпьютеры. Они включаются в объединенную сеть (интерсеть) и обеспечивают для пользователей службы приложений (в дополнение к обычным файловым службам и защите). Пример корпоративной сети показан на рис. 5.5.

Сети масштаба предприятия хорошо подходят для:

- сетевой печати

- электронной почты

- приложения управления документооборотом и системы коллективного пользования

- защиты с помощью регистрации

- служб приложений

- баз данных клиент/сервер

- доступа к Internet

Не очень подходят для:

- компаний с ограниченным бюджетом

- простой инсталляции

- организации данных

- централизованных файловых служб

- высокой скорости

Р ис. 5.5. Сеть масштаба предприятия связывает вместе крупные организации.

Реальные проблемы.

Вы отвечаете за построение сети для небольшой компании. В ней работают только 7 сотрудников. И каждому из них нужен компьютер для совместного использования электронной почты и файлов. Защита не является жизненно важной проблемой, и пользователи будут сами отвечать за сопровождение своих машин.

Какую сеть вы будете инсталлировать: одноранговую или односерверную? Почему?

Ваша компания выросла, и первоначально инсталлированная одноранговая сеть не отвечает ее потребностям. Вам нужно убедить своего начальника перейти на односерверную сеть.

Поясните преимущества односерверной сети по сравнению с одноранговой с 30 компьютерами.

В вашей компании имеются четыре отдела: маркетинга, технический, производственный и административный отдел. В них установлены, соответственно, 35, 55, 25 и 10 компьютеров. У вас есть сервер с ОС Windows NT, обеспечивающий хранение файлов для всей организации. На нем находится также база данных SQL для административного отдела и поддерживается соединение с Internet для применения средств электронной почты и публикации страниц World Wide Web отдела маркетинга. Сеть работает все медленнее и медленнее. У вас есть необходимые фонды для умеренно дорогостоящего усовершенствования сети.

Поясните преимущества предоставления каждому отделу собственного файлового сервера.

Нужна ли высокоскоростная магистраль для соединения серверов?

Вы являетесь консультантом по сетям в крупной производственной корпорации, которая заменяет вычислительную систему на базе мэйнфрейма сетью со специализированными серверами и персональными компьютерами. Штаб-квартира корпорации занимает комплекс зданий, и после завершения инсталляции сети к ней будут подключены более 700 клиентов. Между отделениями корпорации (и из одного здания в другое) будут передаваться очень большие объемы информации, связанной с разработкой продукции, ее проектированием, производством и поддержкой.

Как соединить серверы?

Определение расстояния между компьютерами.

Расстояние до самого удаленного клиента является важным фактором для принятия решений по следующим вопросам: какой сетевой протокол следует использовать, и какой тип кабеля будет работать в данной ситуации. Для определения расстояния выберите центральную зону, где находится большинство клиентских компьютеров и где будет устанавливаться сетевое оборудование (такую, как технологический шкаф на рис. 5.6.). Затем выясните, как далеко расположен наиболее удаленный клиентский компьютер, пройдя вдоль стен (по маршруту кабеля) из одной точки в другую, оценив длину кабеля. Если кабель расположен в потолочных пазухах, прибавьте к полученной длине высоту потолка в помещении. В результате вы получите достаточно точную оценку длины кабеля от сетевого оборудования до наиболее удаленного клиента. Это значение можно будет использовать позднее в процессе проектирования для определения типа используемого в сети кабеля.

Рис. 5.6. Для получения примерной оценки длины кабеля пройдите из одной конечной точки в другую.

Используемое программное обеспечение.

Программное обеспечение генерирует файлы данных, которые будут передаваться по сети, поэтому знание типа ПО позволит получить хорошую оценку объемов данных, пересылаемых в сети между клиентом и сервером.

Текстовые процессоры и электронные таблицы

Программы текстовых процессоров и электронных таблиц генерируют достаточно небольшой сетевой трафик. Они обычно загружаются один раз потом пользователь редактирует данные и сохраняет их.

Графика и САПР

Графические приложения и САПР (системы автоматизированного проектирования), как правило, создают интенсивную нагрузку на сеть, значительно большую, чем электронные таблицы и приложения обработки документов. Это крупные программы, загрузка которых требует больше времени, что может снизить производительность сети для других пользователей. Между тем после загрузки данные будут в течение некоторого времени редактироваться, а затем сохраняться вместе с сопровождающей информацией. Таким образом, эти приложения создают неравномерный трафик с периодической пиковой нагрузкой. Они снижают производительность сети при загрузке, но не генерируют постоянной нагрузки на сеть.

Программное обеспечение баз данных

Программное обеспечение баз данных, как правило, создает в сети равномерный неинтенсивный трафик. Поскольку записи БД должны согласовываться между пользователями, каждое изменение в базе данных обычно передается на сервер, а на клиентской машине хранится мало информации. В результате происходит частый обмен пакетами по сети. Поскольку большинство транзакций БД не оперирует с крупными объемами данных, при небольшом числе пользователей транзакции не особенно влияют на сеть.

Если в сети активно применяются ПО баз данных и графические приложения, может потребоваться высокоскоростная сеть.

Добавляемое программное обеспечение.

Анализируя применяемое ПО важно учесть также, какое программное обеспечение будет добавлено к сети после ее сдачи в эксплуатацию. Сети естественным образом совершенствуют процесс коммуникаций в организации с помощью таких инструментальных средств, как электронная почта, соединение с Internet и ПО коллективного пользования.

Электронная почта

Электронная почта заменяет внутриофисные памятные записки на быструю, более надежную и менее дорогую форму электронных коммуникаций. Ее легко использовать. Она служит средством обмена информацией, намного превосходящим обычную почту, и обеспечивает обмен письменными документами между всеми участвующими сторонами.

Службы Internet

Глобальная сеть Internet представляет собой огромную компьютерную сетевую среду. Многие государственные учреждения, коммерческие фирмы и учебные заведения соединили свои внутренние сети с помощью общего набора протоколов (стандартных сетевых процедур). Таким образом, сформировалась Internet. Службы Internet расширяют преимущества внутренних сетевых вычислений и позволяют включить сеть в остальной сетевой мир.

Все, кто имеет соединение с глобальной сетью Internet, получают доступ к таким службам, как World Wide Web (обеспечивающей возможности рекламы и получения информации), электронная почта, хранение файлов, обмен информацией в реальном времени (chatting) и даже к ограниченной речевой службе.

Кроме того, Internet можно использовать для коммуникаций между географически разрозненными частными сетями при достаточно высоком уровне защиты. Это становится возможным благодаря совершенствующимся технологиям шифрования.

ПО коллективного пользования

Программное обеспечение для поддержки рабочих групп представляет собой расширение простой файловой службы и электронной почты. Оно реализует дополнительный уровень организации данных и управления процессами. В системах коллективного пользования информация автоматически передается между членами рабочей группы. Это ПО проектируется для своевременного получения информации именно там, где она необходима, что позволяет не полагаться на передающих ее людей.

Видеотелеконференцсвязь

Цифровые видеокамеры становятся все более доступными, и видеотелеконференции в локальных сетях быстро становятся реальностью. С их помощью пользователи могут передавать и получать видео в реальном времени между компьютерами, подключенными к высокоскоростной сети. Отдельное оборудование для видеотелеконференцсвязи использует уплотнение и уменьшенную частоту кадров, предоставляя данный сервис по низкоскоростным телефонным линиям.

Реальные проблемы.

Вам нужно инсталлировать сеть для небольшой юридической фирмы. Компьютеры в ней будут применяться в основном для электронной почты, планирования, обработки текста и поиска информации в юридическом справочнике на CD-ROM. Ваш партнер в фирме слышал о волоконно-оптических сетях. Он спрашивает, подойдет ли для сети юридической фирмы кольцо FDDI.

Что вы ему ответите?

Инженерно-техническая фирма расширяется. Исследовательский отдел и отдел разработок решено перевести на другой этаж офисного здания. В этих помещениях ранее была инсталлирована сеть ARC net. Менеджер спрашивает у вас, можно ли использовать существующую инфраструктуру ARC net для поддержки САПР и графических приложений (именно такой трафик будут генерировать отделы исследований и разработок).

Что вы ему ответите?

Специальные требования.

Предъявляются ли к вашей сети какие-либо требования к защите? Имеются ли в ней компьютеры, удаленные от концентратора более чем на 100 м? Есть ли проблемы с электрическими помехами? Эти вопросы играют роль в определении вида кабелей и типов сетевых устройств инсталлируемо2й сети. От них зависит также и то, какое программное обеспечение можно будет в ней применять.

Предполагаемые затраты.

Сумма, которой вы располагаете, является важным фактором в определении доступных решений. Не пожалейте времени и рассчитайте, какие затраты на сеть смогут оправдаться. В этой сумме нужно учесть стоимость компьютеров и программного обеспечения, а также плат сетевого интерфейса, концентраторов, кабелей и трудозатрат на прокладку кабеля. Определив сумму, которую можно потратить на соединение компьютеров в сеть, разделите ее на предполагаемое число клиентов сети и сравните с рекомендациями таблицы 5.1.

Бюджет	Сеть
Менее 100 $ на клиента	Инсталляция сети за такую сумму вызовет трудности. При небольшом количестве компьютеров следует обратить внимание на одноранговое решение. При подключении к сети более 10 машин нужно определить, насколько важна сеть, и ассигновать дополнительные средства.
От 100 $ до 150 $на клиента	В таких бюджетных рамках при построении сети клиент/сервер вы будете испытывать жесткие ограничения. Исключение составляет ситуация, когда в здании уже имеется кабельная проводка. Подобный бюджет реален, но придется поискать подрядчиков, не требующих большей суммы за работу, и выполнять значительную часть инсталляции самостоятельно.
От 150 $ до 250 $ на клиента	Это нормальная стоимость решений клиент/сервер на базе Ethernet. Данной суммы хватит, чтобы без проблем создать сеть, объединяющую до 250 станций.
От 250 $ до 500 $ на клиента	Такой бюджет позволяет выбирать из множества вариантов. Можно использовать высокоскоростные решения и подключать к сети любое число клиентов.
От 550 $ и выше	Такая сумма позволяет использовать любой доступный сетевой протокол и инсталлировать в любом нужном месте волоконно-оптический кабель. Кроме того, вам будут доступны высокопроизводительные серверы и магистральные каналы.

Реальные проблемы.

Для создания сети, объединяющей 100 компьютеров, вы располагаете бюджетом в 7500 $.

Какую сеть позволяет создать такой бюджет?

Для построения сети на 500 машин у вас есть 75000 $.

Какую сеть позволяет создать такой бюджет?

Тема № 2

Базовые технологии локальных сетей.

Методы доступа к каналам связи.

Развитие технологий Ethernet.

Классическая 10-мегабитная сеть Ethernet устраивала большинство пользователей на протяжении около 15 лет. Однако в начале 90-х годов начала ощущаться ее недостаточная пропускная способность. Для компьютеров на процессорах Intel 80286 или 80386 с шинами ISA (8 Мбайт/с) или EISA (32 Мбайт/с) пропускная способность сегмента Ethernet составляла 1/8 или 1/32 канала «память—диск» это хорошо согласовывалось с соотношением объемов данных, обрабатываемых локально, и данных, передаваемых по сети. Для более мощных клиентских станций с шиной PCI (133 Мбайт/с) эта доля упала до 1/133, что было недостаточно. Поэтому многие сегменты 10-мегабитной сети Ethernet стали перегруженными, реакция серверов в них значительно упала, а частота возникновения коллизий существенно возросла, еще более снижая полезную пропускную способность.

Назрела необходимость в разработке «новой» технологии Ethernet, то есть технологи которая была бы такой же эффективной по соотношению цена/качество при производительности 100 Мбит/с. В результате поисков и исследований специалисты разделились на два лагеря, что, в конце концов, привело к появлению двух новых технологий — Fast Ethernet и 100VG-AnyLAN. Они отличаются степенью преемственности с классической технологией Ethernet.

Fast Ethernet

В 1992 году группа производителей сетевого оборудования, включая таких лидеров технологии Ethernet, как SynOptics, 3Com и ряд других, образовали некоммерческое объединение Fast Ethernet Alliance для разработки стандарта новой технологии которая должна была в максимально возможной степени сохранить особенности технологии Ethernet.

Второй лагерь возглавили компании Hewlett-Packard и AT&T, которые предложили воспользоваться удобным случаем для устранения некоторых известных недостатков технологии Ethernet. Через некоторое время к этим компаниям присоединилась компания IBM, которая внесла свой вклад предложением обеспечить в новой технологии некоторую совместимость с сетями Token Ring.

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, предложенную компаниями Hewlett-Packard и AT&T.

В центре дискуссий была проблема сохранения случайного метода доступа CSMA/CD. Предложение Fast Ethernet Alliance сохраняло этот метод и тем самым обеспечивало преемственность и согласованность сетей 10 Мбит/с и 100 Мбит/с. Коалиция HP и AT&T, которая имела поддержку значительно меньшего числа производителей в сетевой индустрии, чем Fast Ethernet Alliance, предложила совершенно новый метод доступа, названный Demand Priority — приоритетный доступ по требованию. Он существенно менял картину поведения узлов в сети, поэтому не смог вписаться в технологию Ethernet и стандарт 802.3, и 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 самостоятельным стандартом, а представляет собой дополнение к существующему стандарту 802.3 в виде глав с 21 по 30. Комитет 802.12 принял технологию 100VG-AnyLAN, которая использует новый метод доступа Demand Priority и поддерживает кадры двух форматов — Ethernet и Token Ring.

Физический уровень технологии Fast Ethernet

Все отличия технологии Fast Ethernet от Ethernet сосредоточены на физическом уровне (рис. 8.1). Уровни MAC и LLC в Fast Ethernet остались абсолютно теми же, и их описывают прежние главы стандартов 802.3 и 802.2. Поэтому, рассматривая технологию Fast Ethernet, мы будем изучать только несколько вариантов ее физического уровня.

Более сложная структура физического уровня технологии Fast Ethernet вызвана тем, что в ней используются три варианта кабельных систем:

■ Волоконно-оптический многомодовый кабель, используются два волокна;

■ Витая пара категории 5, используются две пары;

■ Витая пара категории 3, используются четыре пары.

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.

Отказ от коаксиального кабеля привел к тому, что сети Fast Ethernet всегда имеют иерархическую древовидную структуру, построенную на концентраторах, как и сети 10Base-T/10Base-F. Основным отличием конфигураций сетей Fast Ethernet является сокращение диаметра сети примерно до 200 м, что объясняется умень­шением времени передачи кадра минимальной длины в 10 раз за счет увеличе­ния скорости передачи в 10 раз по сравнению с 10-мегабитной сетью Ethernet.

Тем не менее это обстоятельство не очень препятствует построению крупных се­тей на технологии Fast Ethernet. Дело в том, что середина 90-х годов отмечена не только широким распространением недорогих высокоскоростных технологии, и бурным развитием локальных сетей на основе коммутаторов. При использовании коммутаторов протокол Fast Ethernet может работать в полнодуплексном режиме, в котором нет ограничений на общую длину сети, а остаются только ограничения на длину физических сегментов, соединяющих соседние устройства (адаптер—коммутатор или коммутатор—коммутатор). Поэтому при создании магистралей локальных сетей большой протяженности технология Fast Ethernet также активно применяется, но только в полнодуплексном варианте, совместно с коммутаторами.

В данном разделе рассматривается полудуплексный вариант работы технологии Fast Ethernet, который полностью соответствует определению метода доступа описанному в стандарте 802.3. Особенности полнодуплексного режима Fast Ethernet описаны в разделе «Коммутаторы и полнодуплексные протоколы локальных сетей» главы 9.

По сравнению с вариантами физической реализации Ethernet (а их насчитывается шесть), в Fast Ethernet отличия каждого варианта от других глубже — меняется как количество проводников, так и методы кодирования. А так как физические варианты Fast Ethernet создавались одновременно, а не эволюционно, как для сетей Ethernet, то имелась возможность детально определить те подуровни физического уровня, которые не изменяются от варианта к варианту, и те подуровни, которые специфичны для каждого варианта физической среды.

Официальный стандарт 802.3и установил три различных спецификации для физического уровня Fast Ethernet и дал им следующие названия (рис. 8.2):

■ 100Base-TX для двухпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP категории 5 или экранированной витой паре STP Туре 1;

■ 100Base-T4 для четырехпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP категории 3, 4 или 5;

■ 100Base-FX для многомодового оптоволоконного кабеля, используются два волокна.

Для всех трех стандартов справедливы перечисленные ниже утверждения и характеристики.

■ Форматы кадров технологии Fast Ethernet не отличаются от форматов кадров технологий 10-мегабитной сети Ethernet.

■ Межкадровый интервал (IPG) равен 0,96 мкс, а битовый интервал — 10 нс. Все временные параметры алгоритма доступа (интервал отсрочки, время передачи кадра минимальной длины и т. п.), измеренные в битовых интервалах остались прежними, поэтому изменения в разделы стандарта, касающиеся уровня MAC, не вносились.

■ Признаком свободного состояния среды является передача по ней символа Idle соответствующего избыточного кода (а не отсутствие сигналов, как в стандартах Ethernet 10 Мбит/с).

Физический уровень включает три элемента:

■ уровень согласования (reconciliation sublayer);

■ независимый от среды интерфейс (Media Independent Interface, МП);

■ устройство физического уровня (Physical layer device, PHY).

Уровень согласования нужен для того, чтобы уровень MAC, рассчитанный на интерфейс AUI, смог работать с физическим уровнем через интерфейс МП.

Устройство физического уровня (PHY) состоит, в свою очередь, из нескольких подуровней (см. рис. 8.2):

■ подуровня логического кодирования данных, преобразующего поступающие от уровня MAC байты в символы кода 4В/5В или 8В/6Т (оба кода использу­ются в технологии Fast Ethernet);

■ подуровней физического присоединения и подуровня зависимости от физи­ческой среды (PMD), которые обеспечивают формирование сигналов в соот­ветствии с методом физического кодирования, например NRZI или MLT-3;

■ подуровня автопереговоров, который позволяет двум взаимодействующим портам автоматически выбрать наиболее эффективный режим работы, напри­мер полудуплексный или полнодуплексный (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 Ethernet за исключением того, что интерфейс AUI располагался между подуровнем физического кодирования сигнала (для любых вариантов кабеля использовался одинаковый метод физи­ческого кодирования — манчестерский код) и подуровнем физического присоединения к среде, а интерфейс МП располагается между подуровнем MAC и под­уровнями кодирования сигнала, которых в стандарте Fast Ethernet три — FX, ТХ иТ4.

Разъем МП в отличие от разъема AUI имеет 40 контактов, максимальная длина кабеля МП составляет 1 м. Сигналы, передаваемые по интерфейсу МП, имеют амплитуду 5 В.

Физический уровень 100Base-FX

Спецификация 100Base-FX (многомодовое оптоволокно, два волокна) определя­ет работу протокола Fast Ethernet по многомодовому оптоволокну в полудуп­лексном и полнодуплексном режимах на основе хорошо проверенной схемы ко­дирования FDDI. Как и в стандарте FDDI, каждый узел соединяется с сетью двумя оптическими волокнами, идущими от приемника (R_x) и от передатчи­ка (Т_х).

Между спецификациями 100Base-FX и 100Base-TX есть много общего, поэтому общие для двух спецификаций свойства будут даваться под обобщенным названием 100Base-FX/TX.

В то время как Ethernet со скоростью передачи 10 Мбит/с использует манчестерское кодирование для представления данных при передаче по кабелю в стандарте Fast Ethernet определен другой метод кодирования — 4Б/5В. Этот метод уже показал свою эффективность в стандарте FDDI и без изменений перенесен в спецификацию 100Base-FX/TX. При этом методе каждые 4 бита данных подуровня MAC (называемых символами) представляются 5 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 с 100Base-FX/TX.

Для отделения кадра Ethernet от символов Idle используется комбинация символов Start Delimiter - пара символов J (11000) и К (10001) кода 4В/5В, а после завершения кадра перед первым символом Idle вставляется символ Т (рис. 8.3)

После преобразования 4-битовых порций кодов MAC в 5-битовые порции физического уровня их необходимо представить в виде оптических или электрических сигналов в кабеле, соединяющем узлы сети. Спецификации 100Base-FХ HI 100Base-TX используют для этого различные методы физического кодирования — NRZI и MLT-3 соответственно (как и в технологии FDDI при работе через оптоволокно и витую пару).

Физический уровень 100Base-TX

В качестве среды передачи данных спецификация 100Base-TX (витая пара UTP Cat 5 или STP Туре 1, две пары) использует кабель UTP категории 5 или кабель STP Type 1. Максимальная длина кабеля в обоих случаях — 100 м.

Основные отличия от спецификации 100Base-FX — использование метода MLT-3 для передачи сигналов 5-битовых порций кода 4В/5В по витой паре, а также наличие функции автопереговоров (Auto-negotiation) для выбора режима работы порта. Схема автопереговоров позволяет двум соединенным физически устройствам, которые поддерживают несколько стандартов физического уровня, отличающихся битовой скоростью и количеством витых пар, выбрать наиболее выгодный режим работы. Обычно процедура автопереговоров происходит при подсоединении сетевого адаптера, который может работать на скоростях 10 и 100 Мбит/с, к концентратору или коммутатору.

Описанная ниже схема автопереговоров сегодня является стандартом технологии 100Base-T. До этого производители применяли собственные схемы автоматического определения скорости работы взаимодействующих портов, которые не были совместимы. Принятую в качестве стандарта схему автопереговоров пред­ложила первоначально компания National Semiconductor под названием NWay.

Всего в настоящее время определено 5 различных режимов работы, которые мо­гут поддерживать устройства 100Base-TX или 100Base-T4 на витых парах:

□ 10Base-T — 2 пары категории 3;

□ 10Base-T full-duplex — 2 пары категории 3;

□ 100Base-TX - 2 пары категории 5 (или Type 1A STP);

□ 100Base-T4 — 4 пары категории 3;

□ 100Base-TX full-duplex — 2 пары категории 5 (или Type 1A STP).

Режим 10Base-T имеет самый низкий приоритет при переговорном процессе, а полнодуплексный режим 100Base-T4 — самый высокий. Переговорный про­цесс происходит при включении питания устройства, а также может быть ини­циирован в любой момент модулем управления устройства.

Устройство, начавшее процесс автопереговоров, посылает своему партнеру пач­ку специальных импульсов Fast Link Pulse burst (FLP), в которой содержится 8-битное слово, кодирующее предлагаемый режим взаимодействия, начиная с самого приоритетного, поддерживаемого данным узлом.

Если узел-партнер поддерживает функцию автопереговоров и также может под­держивать предложенный режим, он отвечает пачкой импульсов FLP, в которой подтверждает данный режим, и на этом переговоры заканчиваются. Если же узел-партнер может поддерживать менее приоритетный режим, то он указывает его в ответе, и этот режим выбирается в качестве рабочего. Таким образом, все­гда выбирается наиболее приоритетный общий режим узлов.

Узел, который поддерживает только технологию 10Base-T, каждые 16 мс посы­лает манчестерские импульсы для проверки целостности линии, связывающей его с соседним узлом. Такой узел не понимает запрос FLP, который делает ему узел с функцией автопереговоров, и продолжает слать свои импульсы. Узел, по­лучивший в ответ на запрос FLP только импульсы проверки целостности линии, понимает, что его партнер может работать только по стандарту 10Base-T, и уста­навливает этот режим работы и для себя.

Физический уровень 100Base-T4

Спецификация 100Base-T4 (витая пара UTP Cat 3, четыре пары) была разрабо­тана для того, чтобы можно было использовать для высокоскоростного соедине­ния Ethernet имеющуюся проводку на витой паре категории 3. Эта спецификация позволяет повысить общую пропускную способность за счет одновременной передачи потоков битов по всем 4 парам кабеля.

Спецификация 100Base-T4 появилась позже других спецификаций физическо­го уровня Fast Ethernet. Разработчики этой технологии в первую очередь хотели создать физические спецификации, наиболее близкие к спецификациям 10Base-T и 10Base-F, которые работали на двух линиях передачи данных: двух парах или двух волокнах. Для реализации работы по двум витым парам пришлось перейти на более качественный кабель категории 5.

В то же время разработчики конкурирующей технологии 100VG-AnyLAN изначально сделали ставку на работу по витой паре категории 3; самое главное преимущество состояло не столько в стоимости, а в том, что она была уже проложена в подавляющем числе зданий. Поэтому после выпуска спецификаций 100Base-TX и 100Base-FX разработчики технологии Fast Ethernet реализовали свой вариант физического уровня для витой пары категории 3.

Вместо кодирования 4В/5В в этом методе используется кодирование-8В/6Т, которое обладает более узким спектром сигнала и при скорости 33 Мбит/с укладывается в полосу 16 МГц витой пары категории 3 (при кодировании 4В/5В спектр сигнала в эту полосу не укладывается). Каждые 8 бит информации уровня MAC кодируются 6-ю троичными цифрами (ternary symbols), то есть цифрами, имеющими три состояния. Каждая троичная цифра имеет длительность 40 не. Группа из шести троичных цифр затем передается на одну из трех передающих витых К), независимо и последовательно.

Четвертая пара всегда используется для прослушивания несущей частоты в целях обнаружения коллизий. Скорость передачи данных по каждой из трех передающих пар равна 33,3 Мбит/с, поэтому общая скорость протокола 100Base-T4 составляет 100 Мбит/с. В то же время из-за принятого способа кодирования скорость изменения сигнала на каждой паре равна всего 25 Мбод, что и позволяет использовать витую пару категории 3.

На рис. 8.4 показано соединение порта MDI сетевого адаптера 100Base-T4 с портом MDI-X концентратора (приставка X говорит о том, что у этого разъема присоединения приемника и передатчика меняются парами кабели по сравнению с разъемом сетевого адаптера, что позволяет проще соединять пары проводов в кабеле - без перекрещивания). Пара 1-2 всегда требуется для передачи данных от порта MDI к порту MDI-X, пара 3-6 — для приема данных портом MDI от порта MDI-X, а пары 4-5 и 7-8 являются двунаправленными и используются как для приема, так и для передачи, в зависимости от потребности.

Правила построения сегментов Fast Ethernet при наличии повторителей

Технология Fast Ethernet, как и все некоаксиальные варианты Ethernet, рассчитана на использование концентраторов-повторителей для образования связей в сети.

Правила корректного построения сегментов сетей Fast Ethernet включают:

■ ограничения на максимальную длину сегментов, соединяющих DTE с DTE;

■ ограничения на максимальную длину сегментов, соединяющих DTE с портом повторителя;

■ ограничения на максимальный диаметр сети;

■ ограничения на максимальное число повторителей и максимальную длину сегмента, соединяющего повторители.

Ограничения длины сегментов DTE-DTE

В качестве DTE (Data Terminal Equipment) может выступать любой источник кад­ров данных для сети: сетевой адаптер, порт моста, порт маршрутизатора, модуль управления сетью и другие подобные устройства. Отличительной особенностью устройства DTE является то, что оно вырабатывает новый кадр для разделяемого сегмента (мост или коммутатор, хотя и передают через выходной порт кадр, выра­ботанный в свое время сетевым адаптером, но для сегмента сети, к которому под­ключен выходной порт, этот кадр является новым). Порт повторителя не является устройством DTE, так как он побитно повторяет уже появившийся в сегменте кадр.

В типичной конфигурации сети Fast Ethernet несколько устройств DTE подклю­чаются к портам повторителя, образуя сеть звездообразной топологии. Соедине­ния DTE-DTE в разделяемых сегментах не встречаются (если исключить экзо­тическую конфигурацию, когда сетевые адаптеры двух компьютеров соединены прямо друг с другом кабелем), а вот для мостов/коммутаторов и маршрутизато­ров такие соединения являются нормой — когда сетевой адаптер прямо соединен с портом одного из этих устройств либо эти устройства соединяются друг с другом. Максимальные значения длины сегментов DTE-DTE в соответствие со специ­фикацией IEEE 802.3u приведены в табл. 8.1.

Таблица 8.1. Максимальное значение длины сегментов DTE-DTE

Стандарт	Тип кабеля	Максимальная длина сегмента
100Base-TX	категория 5 UTP	100 м
100Base-FX	многомодовое оптоволокно 62,5/125 мкм.	412 м (полудуплекс) 2 км (полный дуплекс)
100Base-T4	категория 3,4 или 5 UTP	100 м

Ограничения сетей Fast Ethernet, построенных на повторителях

Повторители Fast Ethernet делятся на два класса. Повторители класса I поддерживают все типы логического кодирования данных: как 4В/5В, так и 8В/6Т. Повторители класса II поддерживают только какой-либо один тип логического кодирования — либо 4В/5В, либо 8В/6Т. То есть повторители класса I позволяют выполнять трансляцию логических кодов с битовой скоростью 100 Мбит/с, а повторителям класса II эта операция недоступна.

Поэтому повторители класса I могут иметь порты всех трех типов физического уровня: 100Base-TX, 100Base-FX и 100Base-T4. Повторители класса II имеют либо все порты 100Base-T4, либо порты 100Base-TX и 100Base-FX, так как последние используют один логический код 4В/5В.

В одном домене коллизий допускается наличие только одного повторителя класса I. Это связано с тем, что такой повторитель вносит большую задержку при распространении сигналов из-за необходимости трансляции различных систем сигнализации — 70 bt.

Повторители класса II вносят меньшую задержку при передаче сигналов: 46bt для портов TX/FX и 33,5 bt для портов Т4. Поэтому максимальное число повторителей класса II в домене коллизий — 2, причем они должны быть соединены между собой кабелем не длиннее 5 м.

Небольшое количество повторителей Fast Ethernet не является серьезным препятствием при построении больших сетей, так как применение коммутаторов и маршрутизаторов делит сеть на несколько доменов коллизий, каждый из которых может строиться на одном или двух повторителях. Общая длина сети не будет иметь в этом случае ограничений.

В табл. 8.2 приведены правила построения сети на основе повторителей классам

Тип кабелей	Максимальный диаметр сети, м	Максимальная длина сегмента, м
Только витая пара (TX)	200	100
Только оптоволокно (FX)	272	136
Несколько сегментов на витой паре и один на оптоволокне	260	100 (TX) 160 (FX)
Несколько сегментов на витой паре и несколько сегментов на оптоволокне	272	100 (TX) 136 (FX)

Эти ограничения проиллюстрированы типовыми конфигурациями сетей, показанными на рис. 8.5.

Таким образом, правило 4 хабов превратилось для технологии Fast Ethernet в правило одного или двух хабов, в зависимости от класса хаба.

Рис. 8.5. Примеры построения сети Fast Ethernet с помощью повторителей класса I

При определении корректности конфигурации сети можно не руководствоваться правилами одного или двух хабов, а рассчитывать время двойного оборота сети, как это было показано выше для сети Ethernet 10 Мбит/с.

Как и для технологии Ethernet 10 Мбит/с, комитет 802.3 дает исходные данные для расчета времени двойного оборота сигнала. Однако при этом сама форма представления этих данных и методика расчета несколько изменились. Комитет предоставляет данные об удвоенных задержках, вносимых каждым элементом сети, не разделяя сегменты сети на левый, правый и промежуточный. Кроме того, задержки, вносимые сетевыми адаптерами, учитывают преамбулы кадров, поэтому время двойного оборота нужно сравнивать с величиной 512 битовых интервала (bt), то есть со временем передачи кадра минимальной длины без преамбулы. Для повторителей класса I время двойного оборота можно рассчитать следующим образом.

Задержки, вносимые прохождением сигналов по кабелю, рассчитываются на основании данных табл. 8.3, где учтено удвоенное прохождение сигнала по кабелю.

Таблица 8.3 Задержки вносимые кабелем

Тип кабеля	Удвоенная задержка в bt на 1 м	Удвоенная задержка на кабеле максимальной длины
UTP Cat 3	1,14 bt	114 bt (100 м)
UTP Cat 4	1,14 bt	114 bt (100 м)
UTP Cat 5	1,112 bt	111,2 bt (100 м)
STP	1,112 bt	111,2 bt (100 м)
Оптоволокно	1,0 bt	412 bt (412 м)

Задержки, которые вносят два взаимодействующих через повторитель сетевых адаптера (или порта коммутатора), берутся из табл. 8.4.

Таблица 8.4. Задержки, вносимые сетевыми адаптерами

Тип сетевых адаптеров	Максимальная задержка при двойном обороте
Два адаптера TX/FX	100 bt
Два адаптера T4	138 bt
Один адаптер TX/FX и один адаптер T4	127 bt

Учитывая, что удвоенная задержка, вносимая повторителем класса I, равна 140 bt, можно рассчитать время двойного оборота для произвольной конфигурации сети, естественно, учитывая максимально возможные длины непрерывных сегментов кабелей, приведенные в табл. 8.3. Если получившееся значение меньше 512, значит, по критерию распознавания коллизий сеть является корректной. Комитет 802.3 рекомендует оставлять запас в 4 bt для устойчиво работающей сети, но разрешает выбирать эту величину из диапазона от 0 до 5 bt.

Рассчитаем для примера рекомендуемую в таблице конфигурацию сети, состоящую из одного повторителя и двух оптоволоконных сегментов длиной по 136 м.

Каждый сегмент вносит задержку по 136 bt, пара сетевых адаптеров FX дает задержку в 100 bt, а сам повторитель вносит задержку в 140 bt. Сумма задержек равна 512 bt, что говорит о том, что сеть корректна, но запас принят равным 0.

Особенности технологии 100VG-AnyLAN

Технология 100VG-AnyLAN отличается от классической технологии Ethernet в значительно большей степени, чем Fast Ethernet. Главные отличия перечислены ниже.

■ Используется метод доступа Demand Priority, который обеспечивает более справедливое распределение пропускной способности сети по сравнению с методом CSMA/CD. Кроме того, этот метод поддерживает приоритетный доступ для синхронных приложений.

■ Кадры передаются не всем станциям сети, а только станции назначения.

■ В сети есть выделенный арбитр доступа — концентратор, и это заметно отличает данную технологию от других, в которых применяется распределенный между станциями сети алгоритм доступа.

■ Поддерживаются кадры двух технологий — Ethernet и Token Ring (именно это обстоятельство дало добавку AnyLAN в название технологии).

■ Данные передаются одновременно по 4 парам кабеля UTP категории 3. По каждой паре данные передаются со скоростью 25 Мбит/с, что в сумме дает 100 Мбит/с. В отличие от Fast Ethernet в сетях 100VG-AnyLAN нет коллизий, поэтому можно использовать для передачи все четыре пары стандартного кабеля категории 3. Для кодирования данных применяется код 5В/6В, который обеспечивает спектр сигнала в диапазоне до 16 МГц (полоса пропускания UTP категории 3) при скорости передачи данных 25 Мбит/с.

Метод доступа Demand Priority основан на передаче концентратору функций арбитра, решающего проблему доступа к разделяемой среде. Сеть 100VG-AnyLAN состоит из центрального концентратора, называемого также корневым, и соединенных с ним конечных узлов и других концентраторов (рис. 8.6).

Допускаются три уровня каскадирования. Каждый концентратор и сетевой адаптер 100VG-AnyLAN должен быть настроен либо на работу с кадрами Ethernet, либо с кадрами Token Ring, причем одновременно циркуляция обоих типов кадров не допускается.

Концентратор циклически выполняет опрос портов. Станция, желающая передать пакет, посылает специальный низкочастотный сигнал концентратору, запрашивая передачу кадра и указывая его приоритет. В сети 100VG-AnyLAN используется два уровня приоритетов — низкий и высокий. Низкий уровень приоритета соответствует обычным данным (файловая служба, служба печати и т. п.), а высокий приоритет соответствует данным, чувствительным к временным задержкам (например, мультимедиа). Приоритеты запросов имеют статическую и динамическую составляющие, то есть станция с низким уровнем приоритета, долго не имеющая доступа к сети, получает высокий приоритет.

Если сеть свободна, то концентратор разрешает передачу пакета. После анализа адреса получателя в принятом пакете концентратор автоматически отправляет пакет станции назначения. Если сеть занята, концентратор ставит полученный запрос в очередь, которая обрабатывается в соответствии с порядком поступле­ния запросов и с учетом приоритетов. Если к порту подключен другой концен­тратор, то опрос приостанавливается до завершения опроса концентратором нижнего уровня. Станции, подключенные к концентраторам различного уровня иерархии, не имеют преимуществ по доступу к разделяемой среде, так как реше­ние о предоставлении доступа принимается после проведения опроса всеми кон­центраторами опроса всех своих портов.

Остается неясным вопрос — каким образом концентратор узнает, к какому порту подключена станция назначения? Во всех других технологиях кадр просто передавался всем станциям сети, а станция назначения, распознав свой адрес, копи­ровала кадр в буфер. Для решения этой задачи концентратор узнает МАС-адрес станции в момент физического присоединения ее к сети кабелем. Если в других технологиях процедура физического соединения выясняет связность кабеля (linktest в технологии 10Base-T), тип порта (технология FDDI), скорость работы пор­та (процедура автопереговоров в Fast Ethernet), то в технологии 100VG-AnyLAN концентратор при установлении физического соединения выясняет МАС-адрес станции и запоминает его в таблице МАС-адресов, аналогичной таблице моста, I коммутатора. Отличие концентратора lOOVG-AnyLAN от моста/коммутатора в том, что у него нет внутреннего буфера для хранения кадров. Поэтому он принимает от станций сети только один кадр, отправляет его на порт назначения и пока этот кадр не будет полностью принят станцией назначения, новые кадры концентратор не принимает. Так что эффект разделяемой среды сохраняется. Улучшается только безопасность сети — кадры не попадают на чужие порты и их труднее перехватить.

Технология 100VG-AnyLAN поддерживает несколько спецификаций физического уровня. Первоначальный вариант был рассчитан на четыре неэкранированные витые пары категорий 3, 4, 5. Позже появились варианты физического уровня, рассчитанные на две неэкранированные витые пары категории 5, две экранированные витые пары типа 1 или же два оптических многомодовых оптоволокна.

Несмотря на много хороших технических решений, технология 100VG-AnyLAN не нашла большого количества сторонников и прекратила свое существование. Она не нашла своей ниши, оказавшись слишком сложной по сравнению с более традиционной и привычной технологией Fast Ethernet. Тем более что для поддержки очень требовательных к скорости передачи данных приложений имеется технология Gigabit Ethernet, которая, сохраняя преемственность с Ethernet и Fast Ethernet, обеспечивает скорость передачи данных 1000 Мбит/с.

Выводы

■ Потребности в высокоскоростной и в то же время недорогой технологии для подключения к сети мощных рабочих станций привели в начале 90-х годов к созданию инициативной группы, которая занялась поисками такой же простой и эффективной технологии, как Ethernet, но работающей на скорости 100 Мбит/с.

■ Специалисты разбились на два лагеря, что, в конце концов, привело к появ­лению двух стандартов, принятых осенью 1995 года: комитет 802.3 утвердил стандарт Fast Ethernet, почти полностью повторяющий технологию Ethernet 10 Мбит/с, а специально созданный комитет 802.12 утвердил стандарт техно­логии 100VG-AnyLAN, которая сохраняла формат кадра Ethernet, но сущест­венно изменяла метод доступа.

■ Технология Fast Ethernet сохранила в неприкосновенности метод доступа CSMA/CD, оставив в нем тот же алгоритм и те же временные параметры в битовых интервалах (сам битовый интервал уменьшился в 10 раз). Все отли­чия Fast Ethernet от Ethernet проявляются на физическом уровне.

■ В стандарте Fast Ethernet определены три спецификации физического уров­ня: 100Base-TX для двух пар UTP категории 5 или двух пар STP Туре 1 (ме­тод кодирования 4В/5В), 100Base-FX для многомодового волоконно-оптиче­ского кабеля с двумя оптическими волокнами (метод кодирования 4В/5В) и 100Base-T4, работающую на четырех парах UTP категории 3, но использую­щую одновременно только три пары для передачи, а оставшуюся — для обна­ружения коллизий (метод кодирования 8В/6Т).

■ Стандарты 100Base-TX/FX могут работать в полнодуплексном режиме.

■ Максимальный диаметр сети Fast Ethernet равен приблизительно 200 м, а более точные значения зависят от спецификации физической среды. В домене коллизий Fast Ethernet допускается не более одного повторителя класса I (по­зволяющего транслировать коды 4В/5В в коды 8В/6Т и обратно) и не более двух повторителей класса II (не позволяющих выполнять трансляцию кодов).

■ Технология Fast Ethernet при работе на витой паре позволяет за счет проце­дуры автопереговоров двум портам выбирать наиболее эффективный режим работы — скорость 10 Мбит/с или 100 Мбит/с, а также полудуплексный или полнодуплексный режим.

■ В технологии 100VG-AnyLAN арбитром, решающим вопрос о предоставлении станциям доступа к разделяемой среде, является концентратор, поддер­живающий метод Demand Priority — приоритетные требования. Метод Demand Priority оперирует с двумя уровнями приоритетов, выставляемыми станциями, причем приоритет станции, долго не получающей обслуживания, повышается динамически.

Gigabit Ethernet

Достаточно быстро после появления на рынке продуктов Fast Ethernet сетевые интеграторы и администраторы почувствовали определенные ограничения при построении корпоративных сетей. Во многих случаях серверы, подключенные по 100мегабитному каналу, перегружали магистрали сетей, работающие так же на скорости 100 Мбит/с - магистрали FDDI и Fast Ethernet. Ощущалась потребность в следующем уровне иерархии скоростей. В 1995 году более высокий уровень скорости могли предоставить только коммутаторы ATM, а при отсутствии в то время удобных средств миграции этой технологии в локальные сети (хотя спецификация LAN Emulation — LANE и была принята в начале 1995 года, практическая ее реализация была впереди) внедрять их в локальную сеть почти ни­кто не решался. Кроме того, технология ATM отличалась очень высокой стоимо­стью.

Поэтому логичным выглядел следующий шаг, сделанный IEEE, — через 5 меся­цев после окончательного принятия стандарта Fast Ethernet в июне 1995 года исследовательской группе по изучению высокоскоростных технологий IEEE было предписано заняться рассмотрением возможности выработки стандарта Ethernet с еще более высокой битовой скоростью.

Летом 1996 года было объявлено о создании группы 802.3 для разработки протокола, максимально подобного Ethernet, но с битовой скоростью 1000 Мбит/с. Как и в случае Fast Ethernet, сообщение было воспринято сторонниками Ethernet с большим энтузиазмом.

Основной причиной энтузиазма была перспектива такого же плавного перевода магистралей сетей на Gigabit Ethernet, подобно тому, как были переведены на Fast Ethernet перегруженные сегменты Ethernet, расположенные на нижних уровнях иерархии сети. К тому же опыт передачи данных на гигабитных скоростях уже имелся как в территориальных сетях (технология SDH), так и в локальных — технология Fibre Channel, которая используется в основном для подключения высокоскоростной периферии к большим компьютерам и передает данные по волоконно-оптическому кабелю со скоростью, близкой к гигабитной посредством избыточного кода 8В/10В.

В образованный для согласования усилий в этой области комитет Gigabit Ethernet Alliance с самого начала вошли такие флагманы отрасли, как Bay Networks (в настоящее время компания вошла в состав Nortel Networks), Cisco Systems и 3Com. За год своего существования количество участников Gigabit Ethernet Alliance существенно выросло и насчитывает сейчас более 100. В качестве первого варианта физического уровня был принят уровень технологии Fiber Channel, с ее кодом 8В/10В (как и в случае Fast Ethernet, когда для ускорения работ был принят отработанный физический уровень FDDI).

Первая версия стандарта была рассмотрена в январе 1997 года, а окончательно стандарт 802.3z был принят 29 июня 1998 года на заседании комитета IEEE 802.3. Работы по реализации Gigabit Ethernet на витой паре категории 5 были переданы специальному комитету 802.3аЬ, который уже рассмотрел несколько вариантов проекта этого стандарта, причем с июля 1998 года проект приобрел достаточно стабильный характер. Окончательное принятие стандарта 802.3ab ожидается в сентябре 1999 года.

Не дожидаясь принятия стандарта, некоторые компании выпустили первое оборудование Gigabit Ethernet на оптоволоконном кабеле уже к лету 1997 года.

Основная идея разработчиков стандарта Gigabit Ethernet состоит в максимальном сохранении идей классической технологии Ethernet при достижении битовой скорости в 1000 Мбит/с.

Так как при разработке новой технологии естественно ожидать некоторых технических новинок, идущих в общем русле развития сетевых технологий, то важно отметить, что Gigabit Ethernet, так же как и его менее скоростные собратья, на уровне протокола не будет поддерживать:

□ качество обслуживания;

□ избыточные связи;

□ тестирование работоспособности узлов и оборудования (в последнем слу­чае — за исключением тестирования связи порт—порт, как это делается для Ethernet 10Base-T, 10Base-F и Fast Ethernet).

Все три названных свойства считаются весьма перспективными и полезными в современных сетях, а особенно в сетях ближайшего будущего. Почему же авторы Gigabit Ethernet отказываются от них?

По поводу качества обслуживания коротко можно ответить так: «сила есть - ума не надо». Если магистраль сети будет работать со скоростью, превышаю­щей в 20 000 раз среднюю скорость сетевой активности клиентского компью­тера и в 100 раз среднюю сетевую активность сервера с сетевым адаптером 100 Мбит/с, то о задержках пакетах на магистрали во многих случаях можно не заботиться вообще. При небольшом коэффициенте загрузки магистрали 1000 Мбит/с очереди в коммутаторах Gigabit Ethernet будут небольшими, а вре­мя буферизации и коммутации на такой скорости составляет единицы и даже доли микросекунд.

Ну а если все же магистраль загрузится на достаточную величину, то приоритет чувствительному к задержкам или требовательному к средней скорости трафику можно предоставить с помощью техники приоритетов в коммутаторах — соот­ветствующие стандарты для коммутаторов уже приняты (они будут рассматри­ваться в главе 10). Зато можно будет пользоваться весьма простой (почти как Ethernet) технологией, принципы работы которой известны практически всем се­тевым специалистам.

Главная идея разработчиков технологии Gigabit Ethernet состоит в том, что существует и будет существовать весьма много сетей, в которых благодаря высокой скорости магистрали и возможности назначения пакетам приоритетов в комму­таторах можно обеспечить качество транспортного обслуживания для всех кли­ентов сети. И только в тех редких случаях, когда и магистраль достаточно загру­жена, и требования к качеству обслуживания очень жесткие, нужно применять технологию ATM, которая действительно за счет высокой технической сложно­сти дает гарантии качества обслуживания для всех основных видов трафика. Избыточные связи и тестирование оборудования не будут поддерживаться тех­нологией Gigabit Ethernet из-за того, что с этими задачами хорошо справляются протоколы более высоких уровней, например Spanning Tree, протоколы маршрутизации и т. п. Поэтому разработчики технологии решили, что нижний уровень просто должен быстро передавать данные, а более сложные и более редко встре­чающиеся задачи (например, приоритезация трафика) должны передаваться верх­ним уровням.

Что же общего имеется в технологии Gigabit Ethernet по сравнению с техноло­гиями Ethernet и Fast Ethernet?

□ Сохраняются все форматы кадров Ethernet.

□ По-прежнему будут существовать полудуплексная версия протокола, поддерживающая метод доступа CSMA/CD, и полнодуплексная версия, работающая с коммутаторами. По поводу сохранения полудуплексной версии протокола сомнения были еще у разработчиков Fast Ethernet, так как сложно заставить работать алгоритм CSMA/CD на высоких скоростях. Однако метод доступа остался неизменным в технологии Fast Ethernet и его решили оставить в новой технологии Gigabit Ethernet. Сохранение недорогого решения для разделяемых сред позволит применить Gigabit Ethernet в небольших рабочих группах, имеющих быстрые серверы и рабочие станции.

□ Поддерживаются все основные виды кабелей, используемых в Ethernet и Fast Ethernet: волоконно-оптический, витая пара категории 5, коаксиал.

Тем не менее разработчикам технологии Gigabit Ethernet для сохранения приведенных выше свойств пришлось внести изменения не только в физический уровень, как это было в случае Fast Ethernet, но и в уровень MAC.

Перед разработчиками стандарта Gigabit Ethernet стояло несколько трудно разрешимых проблем. Одной из них была задача обеспечения приемлемого диаметра сети для полудуплексного режима 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 неизменными. Так как су­ществует большое количество применений, требующих диаметра сети хотя бы 200 м, необходимо было каким-то образом решить эту задачу за счет минимальных изменений в технологии Fast Ethernet.

Другой сложнейшей задачей было достижение битовой скорости 1000 Мбит/с на основных типах кабелей. Даже для оптоволокна достижение такой скорости 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 (битовая скорость на линии равна в этом случае примерно 1000 Мбит/с, но при методе кодирования 8В/10В полезная битовая скорость на 25 % меньше скорости импульсов на линии).

И, наконец, самая сложная задача — поддержка кабеля на витой паре. Такая задача на первый взгляд кажется неразрешимой — ведь даже для 100-мегабитных протоколов требуются достаточно сложные методы кодирования, чтобы уложить спектр сигнала в полосу пропускания кабеля. Однако успехи специалистов по кодированию, проявившиеся в последнее время в новых стандартах на модемы показали, что задача имеет шансы на решение. Чтобы не тормозить принятие основной версии стандарта Gigabit Ethernet, использующего оптоволокно и коаксиал, был создан отдельный комитет 802.Заb, который занимается разработкой стандарта Gigabit Ethernet на витой паре категории 5.

Все эти задачи были успешно решены.

Средства обеспечения диаметра сети в 200 м на разделяемой среде

Для расширения максимального диаметра сети Gigabit Ethernet в полудуплекс­ном режиме до 200 м разработчики технологии предприняли достаточно естест­венные меры, основывающиеся на известном соотношения времени передачи кадра минимальной длины и временем двойного оборота.

Минимальный размер кадра был увеличен (без учета преамбулы) с 64 до 512 байт или до 4096 bt. Соответственно, время двойного оборота теперь также можно было увеличить до 4095 bt, что делает допустимым диаметр сети около 200 м при использовании одного повторителя. При двойной задержке сигнала в 10 bt/m оптоволоконные кабели длиной 100 м вносят вклад во время двойного оборота по 1000 bt, и если повторитель и сетевые адаптеры будут вносить такие же за­держки, как в технологии Fast Ethernet (соответствующие данные см. в предыду­щем разделе), то задержка повторителя в 1000 bt и пары сетевых адаптеров в 1000 bt дадут в сумме время двойного оборота 4000 bt, что удовлетворяет усло­вию распознавания коллизий. Для увеличения длины кадра до требуемой в но­вой технологии величины сетевой адаптер должен дополнить поле данных до длины 448 байт так называемым расширением (extention), представляющим со­бой поле, заполненное нулями.

Формально минимальный размер кадра не изменился, он по-прежнему равен 64 байтам или 512 битам, но это объясняется тем, что поле расширения помеща­ется после поля контрольной суммы кадра FCS, его значение не включается в контрольную сумму и не учитывается значением поля Length/Type (в том слу­чае, когда это поле переносит значения именно длины кадра). Поле Extention яв­ляется просто расширением несущей, необходимым для корректного обнаруже­ния коллизий.

Для сокращения накладных расходов при использовании слишком длинных, кадров для передачи коротких квитанций разработчики стандарта разрешили конечным узлам передавать несколько кадров подряд, без передачи среды другим станциям. Такой режим получил название Burst Mode — монопольный пакетный режим. Станция может передать подряд несколько кадров с общей длиной не более 65 536 бит или 8192 байт. Если станции нужно передать несколько небольших кадров, то она может не дополнять первый кадр до размера в 512 байт за счет поля Extension, а передавать несколько кадров подряд до исчерпания предела в 8192 байт (в этот предел входят все байты кадра, в том числе преамбула, заголовок, данные и контрольная сумма). Предел 8192 байт называется BurstLength. Если станция начала передавать кадр и предел BurstLength был достигнут в середине кадра, то кадр разрешается передать до конца.

Увеличение «совмещенного» кадра до 8192 байт несколько задерживает доступ к разделяемой среде других станций, но при скорости 1000 Мбит/с эта задержка не столь существенна. В полнодуплексном режиме поля Extension и Burst Mode не используются, так как распознавать коллизии в этом режиме нет необходимости, такое понятие здесь просто отсутствует.

Спецификации физической среды стандарта 802.3z

В стандарте 802.3z определены следующие типы физической среды:

□ одномодовый волоконно-оптический кабель;

□ многомодовый волоконно-оптический кабель 62,5/125;

□ многомодовый волоконно-оптический кабель 50/125;

□ двойной коаксиал с волновым сопротивлением 75 Ом.

Многомодовый кабель

Для передачи данных по традиционному для компьютерных сетей многомодовому волоконно-оптическому кабелю стандарт определяет применение излучателей работающих на двух длинах волн: 1300 и 850 нм. 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, так как затухание многомодового оптоволокна на волне 850 нм более чем в два раза выше, чем на волне 1300 нм. Однако возможность удешевления чрезвычайно важна для такой в целом дорогой технологии, как Gigabit Ethernet.

Для многомодового оптоволокна стандарт 802.3z определил спецификации 100Base-SX и 1000Base-LX.

В первом случае используется длина волны 850 нм (S означает Short Wavelength — короткая волна), а во втором — 1300 нм (L — от Long Wavelength, то есть длинная волна)

В табл. 8.5 приведены предельные значения длины сегментов волоконно-оптического кабеля разного типа для стандарта 1000Base-SX.

Таблица 8.5. Диапазоны значений длины сегментов кабеля стандарта 1000Base-SX

Тип кабеля	Погонная пропускная способность, Мгц/км	Диапазон, м
62,5 мкм MMF	160	2-220
62,5 мкм MMF	200	2-275
50 мкм MMF	400	2-500
50 мкм MMF	500	2-550
10 мкм MMF	Не определено	Не поддерживается

Очевидно, что эти максимальные значения могут достигаться только для полнодуплексной передачи данных, так как время двойного оборота сигнала на двух отрезках 220м равно 4400 bt, что превосходит предел 4095 bt даже без учета повторителя и сетевых адаптеров. Для полудуплексной передачи максимальные значения сегментов оптоволоконного кабеля всегда должны быть меньше 100 м. Приведенные в таблице расстояния рассчитаны для худшего по стандарту слу­чая полосы пропускания многомодового кабеля, находящегося в пределах от 160 до 500 МГц/км. Реальные кабели обычно обладают значительно лучшими харак­теристиками, находящимися между 600 и 1000 МГц/км. В этом случае можно увеличить длину кабеля примерно до 800 м.

Одномодовый кабель

Для спецификации 1000Base-LX в качестве источника излучения всегда приме­няется полупроводниковый лазер-диод с длиной волны 1300 нм.

Спецификация 1000Base-LX может работать как с многомодовым, так и с одно-модовым кабелем. Предельные значения сегментов для кабелей разного типа приведены в табл. 8.6.

Таблица 8.6. Диапазоны значения длины сегментов кабеля стандарта 1000Base-LX

Тип кабеля	Погонная пропускная способность, Мгц/км	Диапазон, м
62,5 мкм MMF	500	2-550
50 мкм MMF	400	2-500
50 мкм MMF	500	2-550
10 мкм MMF	Не определено	2-5000

Твинаксиальный кабель

В качестве среды передачи данных используется высококачественный твинакси­альный кабель (Twinax) с волновым сопротивлением 150 Ом (2x75 Ом). Данные посылаются одновременно по паре проводников, каждый из которых окружен экранирующей оплеткой. При этом получается режим полудуплексной переда­чи. Для обеспечения полнодуплексной передачи необходимы еще две пары коак­сиальных проводников. Начал выпускаться специальный кабель, который содер­жит четыре коаксиальных проводника, — так называемый Quad-кабель. Он внеш­не напоминает кабель категории 5 и имеет близкие к нему внешний диаметр и гибкость. Максимальная длина твинаксиального сегмента составляет всего 25 м, поэтому это решение подходит для оборудования, расположенного в одной ком­нате.

Gigabit Ethernet на витой паре категории 5

Как известно, каждая пара кабеля категорий 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 4 парам кабеля (так же, как и в технологии 100VG-AnyLAN).

Это сразу уменьшило скорость передачи данных по каждой паре до 250 Мбит/с. Однако, и для такой скорости необходимо было придумать метод кодирования, который имел бы спектр не выше 100 МГц. Кроме того, одновременное исполь­зование четырех пар на первый взгляд лишает сеть возможности распознавания коллизий.

На оба эти вопроса комитет 802.3ab нашел ответы.

Для кодирования данных был применен код РАМ5, использующий 5 уровней потенциала: -2, -1, 0, +1, +2. Поэтому за один такт по одной паре передается 2,322 бит информации. 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 4 парам), то выдерживается требуемая скорость передачи в 1000 Мбит/с и еще остается запас неиспользуемых кодов, так как код РАМ5 содержит 5⁴ = 625 комбинаций, а если передавать за один такт по всем четырем парам 8 бит данных, то для этого требуется всего 2⁸ = 256 комбинаций. Оставшиеся Комбинации приемник использует 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 разработчики спецификации 802.Заb применили технику, используемую при организации дуплексного режима на одной паре проводов в современных модемах и аппаратуре передачи данных абонентских окончаний ISDN. Вместо передачи по разным парам проводов или разнесения сигналов двух одновременно работающих навстречу друг другу передатчиков по диапазону частот оба передатчика работают навстречу друг другу по каждой из 4 пар в одном и том же диапазоне частот, так как используют один и тот же потенциальный код РАМ5 (рис. 8.7). Схема гибридной развязки Н позволяет приемнику и передатчику одного и того же узла использовать одновременно витую пару и для приема и для передачи (так же, как и в трансиверах Ethernet на коаксиале).

Для отделения принимаемого сигнала от своего собственного приемник вычитает из результирующего сигнала известный ему свой сигнал. Естественно, что это не простая операция и для ее выполнения используются специальные цифровые сигнальные процессоры — DSP (Digital Signal Processor). Такая техника уже прошла проверку практикой, но в модемах и сетях ISDN она применялась совсем на других скоростях.

При полудуплексном режиме работы получение встречного потока данных считается, коллизией, а для полнодуплексного режима работы — нормальной ситуацией.

Ввиду того что работы по стандартизации спецификации Gigabit Ethernet на неэкранированной витой паре категории 5 подходят к концу, многие производители и потребители надеются на положительный исход этой работы, так как в этом случае для поддержки технологии Gigabit Ethernet не нужно будет заменять уже установленную проводку категории 5 на оптоволокно или проводку категорий 6 или 7.

Основная область применения протокола Gigabit Ethernet — магистрали локальных (LAN) и городских (MAN) сетей. Наиболее часто используемый режим —полнодуплексный, обеспечивающий максимальные пропускную способность и расстояние между узлами.

Во время написания второй редакции данной книги проводились интенсивные работы над версией стандарта Ethernet, работающего на скорости 10 Гбит/с, так называемого стандарта 10GE. Этот протокол предназначается для создания ма­гистралей крупных локальных и городских сетей, а также магистралей глобаль­ных сетей. Стандарт 10GE был принят комитетом IEEE 802 в июне 2002 года.

Выводы

□ Технология Gigabit Ethernet добавляет новую ступень в иерархии скоростей семейства Ethernet величиной в 1000 Мбит/с. Эта ступень позволяет эффек­тивно строить крупные локальные сети, в которых мощные серверы и магист­рали нижних уровней сети работают на скорости 100 Мбит/с, а магистраль Gigabit Ethernet объединяет их, обеспечивая достаточно большой запас про­пускной способности.

□ Разработчики технологии Gigabit Ethernet сохранили большую степень пре­емственности с технологиями Ethernet и Fast Ethernet. Gigabit Ethernet ис­пользует те же форматы кадров, что и предыдущие версии Ethernet, работает в полнодуплексном и полудуплексном режимах, поддерживая на разделяе­мой среде тот же метод доступа CSMA/CD с минимальными изменениями.

□ Для обеспечения приемлемого максимального диаметра сети в 200 м в полу­дуплексном режиме разработчики технологии пошли на увеличение мини­мального размера кадра с 64 до 512 байт. Разрешается также передавать не­сколько кадров подряд, не освобождая среду, на интервале 8096 байт, тогда кадры не обязательно дополнять до 512 байт. Остальные параметры метода доступа и максимального размера кадра остались неизменными.

□ Летом 1998 года был принят стандарт 802.3z, который определяет использо­вание в качестве физической среды трех типов кабеля: многомодового оптоволоконного (расстояние до 500 м), одномодового оптоволоконного (расстояние до 5000 м) и двойного коаксиального (twinax), по которому данные передаются одновременно по двум медным экранированным проводникам на рас­стояние до 25 м.

□ Специальная рабочая группа 802.3ab разработала вариант Gigabit Ethernet Но UTP категории 5. Для обеспечения скорости в 1000 Мбит/с используется одновременная передача данных по четырем неэкранированным витым парам, скорость в 250 Мбит/с обеспечивает метод кодирования РАМ-5, полнодуп­лексный режим поддерживается за счет встречной одновременной передачи информации по каждой паре с выделением принимаемого сигнала из общего с помощью сигнальных процессоров DSP.

Базовые принципы технологии Ethernet

Нас интересует, прежде всего, технология Ethernet. На ее основе лучше всего создавать локальные сети по ряду причин:

• широкая распространенность;

• большой ассортимент оборудования, имеющегося в продаже;

• умеренные цены на большинство продаваемых устройств;

• возможность выбора необходимой скорости передачи данных;

• поддержка различных топологий;

• поддержка нескольких стандартов используемой кабельной системы.

Скорости передачи данных

Скорость передачи данных, характеризующая тот или иной сетевой стандарт, обычно измеряется в мегабитах в секунду (Мбит/с).

Различные варианты реализации технологии Ethernet поддерживают следующие уровни максимальной скорости передачи данных:

• 10 мегабит в секунду (Ethernet);

• 100 мегабит в секунду (Fast Ethernet);

• 1 гигабит в секунду (Gigabit Ethernet).

Стандарт 100Base-T

В сущности, 100Base-T (часто называемый Fast Ethernet - быстрый Ethernet) - это со­бирательное название нескольких аналогичных стандартов:

• 100Base-T4;

• 100Base-TX;

• 100Base-VG.

Тем не менее, все они работают на витой паре и обеспечивают одинаковую максимальную скорость передачи данных.

Основные характеристики стандарта 100Base-T:

• максимальная скорость передачи данных - 100 Мбит/с;

• топология - звезда;

• тип кабеля - витая пара;

• максимальная длина кабельного сегмента - 100 метров;

• максимальное количество компьютеров, находящихся в одной «звезде», - в зависи­мости от числа портов концентратора.

Достоинства:

• высокая скорость передачи данных;

• нарушение соединения в одном месте, кроме центрального узла, не прерывает работы локальной сети;

• при подключении большого количества компьютеров не происходит снижения производительности.

• безопасность информации обеспечивается на высоком уровне, так как компьютеры не получают чужих данных.

Недостатки:

• большой расход соединительного кабеля;

• поломка центрального узла приводит к неработоспособности всей сети;

• наращивание сети сопряжено с большими финансовыми затратами;

• помехоустойчивость несколько ниже, чем у 10Base-2.

Оборудование сетей 10Base-T и 100Base-T на витой паре

Наибольший интерес для построения локальных домашних и офисных сетей представляют стандарты 10Base-T и 100Base-T на витой паре. Оборудование для создания таких сетей включает кабели, сетевые карты, разъемы, концентраторы, монтажные инструменты.

Кабели

Для монтажа локальных сетей стандартов 10Base-T и 100Base-T может использоваться

• толстый коаксиальный кабель (Thick Ethernet Coaxial Cable);

• витая пара (Twisted Pair).

Толстый коаксиальный кабель

Толстый коаксиальный кабель аналогичен тонкому, но диаметр у него составлявляет 1 см. Чаще всего он применяется в больших сетях на базе 10Base-T и 100Base-T для организации связи между несколькими центральными узлами. Максимальная длина кабельного сегмента на толстом коаксиальном кабеле составляет 500 метров, что позволяет использовать его для соединения сетей, находящихся в разных домах.

Витая пара

Витая пара используется преимущественно в домашних и малых офисных сетях. По своему внешнему виду и структуре напоминает импортный телефонный кабель. Но если быть более точным, то дело обстоит как раз совсем наоборот - телефонный кабель является одной из многочисленных разновидностей витой пары.

В зависимости от наличия или отсутствия экрана витая пара может быть следующих видов:

• неэкранированная витая пара (Unshielded Twisted Pair - UTP);

• экранированная витая пара (Shielded Twisted Pair - STP);

• фольгированная витая пара (Foiled Twisted Pair - FTP).

Неэкранированная витая пара стоит намного дешевле экранированных вариантов, поэтому используется чаще всего. Конструктивно она представляет собой несколько пар скручен­ных изолированных проводников, размещенных в общей внешней изоляции (Рис. 1.12).

Экранированная и фольгированная витая пара устроены точно так же, но под слоем внешней изоляции находится защитный экран из плетеной проволоки или слоя алюми­ниевой фольги.

Промышленностью выпускается пять различных категорий неэкранированной витой пары, предназначенных для голосовой телефонной связи и использования в локальных сетях. Их назначение показано в следующей таблице.

Категория	Назначение
1	Передача голосовых сообщений
2	Передача голосовых сообщений и данных на скорости до 1 Мбит/с.
3	Передача голосовых сообщений и данных на скорости до 10 Мбит/с. (Ethernet 10Base-T)
4	Передача данных в сетях Token Ring со скоростью 16 Мбит/с.
5	Передача данных на скорости до 100 Мбит/с. (Ethernet 100Base-T)

Оптимальным выбором для домашней сети 10Base-T или 100Base-T будет неэкраниро­ванная витая пара (UTP) пятой категории, позволяющая осуществлять передачу данных на скорости до 100 Мбит/с, конечно, при наличии соответствующих сетевых карт.

Сетевые карты

В зависимости от типа разъемов сетевые карты, работающие на витой паре, бывают следующих видов:

• ТР;

• Combo.

Сетевые карты ТР с разъемом RJ-45 предусматривают подключение только с помощью витой пары. Что же касается карт Combo, то они имеют разъемы для подключения кабелей различных типов.

Сетевые карты для витой пары могут поддерживать различные скорости передачи данных:

• 10Мбит/с;

• 100Мбит/с;

• 10/100 Мбит/с.

В зависимости от варианта подключения к шинам данных компьютера, сетевые карты бывают следующие:

• PCI;

• ISA;

• USB;

• PCMCIA (PC Card).

Карты PCI вставляются в разъем шины PCI внутри системного блока компьютера. Они поддерживают режим Plug & Play и сами инициализируются операционной системой в момент загрузки.

Сетевые карты ISA также находятся внутри компьютера, но подключаются к шине ISA. Сейчас эта шина уже устарела и встречается не на всех компьютерах. Данные карты обычно приходится настраивать вручную с помощью перемычек или специальной установочной программы, задавая нужное прерывание, адрес и прочее.

Внешние сетевые карты, выполненные в виде отдельного устройства, подключаются к разъему USB, расположенному на задней стенке системного блока. Как и РС1-карты, они настраиваются автоматически.

Сетевые карты для ноутбуков поддерживают стандарт PCMCIA (PC Card) и вставляется в соответствующий разъем.

Из сказанного следует, что лучше всего приобретать сетевые карты PCI, рассчитанные на скорость передачи данных 100 Мбит/с. Карты ISA покупать не рекомендуется так как они сложнее в настройке и используют устаревший шинный разъем, который в современных компьютерах может отсутствовать. Производитель особой роли не играет, но, по соображениям совместимости и надежности, лучше использовать сетевые карты известных фирм, таких как Realtek, Intel, D-Link, 3COM.

Разъемы

Для соединения витой пары с сетевыми картами нужны пластмассовые вилки с разъе­мом RJ-45. Внешний вид данной вилки, также называемой «карамелькой», изображен на Рис. 1.13 и Рис. 1.14.

Концентраторы и коммутаторы

При соединении трех и более компьютеров с помощью витой пары необходимо исполь­зовать специальное устройство - концентратор, или, другими словами, хаб (Hub). Кон­центратор располагается в центре звезды и обеспечивает информационный обмен между компьютерами. Обычный «классический» хаб не делает ничего кроме соединения ком­пьютеров в узле и усиления сигнала, но в настоящее время обычно хабы имеют функции коммутаторов, или свитчей, от английского слова Switch - переключатель. Коммутатор обеспечивает более быструю связь между компьютерами в сети за счет того, что разре­шает коллизии в узле при попытке компьютеров одновременно передавать данные, уменьшая при этом паузы ожидания данных. Коммутаторы, или свитчи, похожи на мар­шрутизаторы, но если маршрутизаторы работают на уровне адресов программных про­токолов, о которых речь пойдет ниже, то коммутаторы ориентируются на физические адреса сетевых карт компьютеров и являются менее интеллектуальными устройствами по сравнению с маршрутизаторами.

Концентратор представляет собой небольшую пластмассовую коробку с разъемами для вилок RJ-45.

Выпускаемые концентраторы поддерживают определенную скорость и имеют фиксиро­ванное количество портов, то есть - разъемов для подключения компьютеров, которое кратно двум. Наибольшее распространение получили хабы с 4, 8 и 16 портами.

Таким образом, основными параметрами приобретаемого концентратора является поддерживаемая скорость и число портов. Оптимальным выбором будет универсальный концентратор 10/100 Мбит/с, число портов которого не меньше количества подключаемых компьютеров. Не последней характеристикой является и цена, так как концентратор - устройство дорогостоящее. Однако если средства позволяют, следует купить хороший хаб фирмы 3COM или Cisco.

Монтажные инструменты

Для монтажа соединений на витой паре используются следующие инструменты:

• устройство для обрезки витой пары;

• устройство для обжима вилки с разъемом RJ-45.

Эти инструменты можно не покупать, а взять у кого-нибудь на время, так как монтажные работы производятся редко.

Физическое подключение сетевых карт к компьютерам

Как уже отмечалось, сетевые карты бывают внешними и внутренними. Соответственно различаются способы их подключения к компьютеру.

Внешние сетевые карты (USB или PCMCIA)

Проще всего подключить к компьютеру внешнюю карту, для чего нужно сделать следующее:

• Выключите компьютер, если он до этого был включен.

• На задней стенке компьютера найдите разъем порта USB или PCMCIA, подключите к нему кабель, идущий от внешней сетевой карты.

Внутренние сетевые карты (PCI или ISA)

Подключение любой внутренней карты требует разборки компьютера. Если вы делаете впервые, то лучше обратиться за помощью к специалисту. Однако можно попробовать все сделать и самому.

• Выключите компьютер, если он до этого был включен.

• Вытащите вилку питания системного блока компьютера из электрической розетки.

• Снимите крышку системного блока компьютера, открутив с помощью крестообразной отвертки несколько болтов на задней панели.

• Выберите подходящий по размеру свободный шинный разъем на материнской плате. Современные сетевые карты обычно вставляются в разъем системной шины PCI, a старые модели - в разъем ISA.

Если это старая карта ISA, настраивающаяся установкой переключателей (Jumpers), которые определяют номер базового адреса порта (Port) и прерывания (IRQ), выпол­ните их установку, воспользовавшись прилагаемым руководством. Обычно исполь­зуется комбинация: Port 300, IRQ 3.

• Открутите и вытащите заглушку на задней панели системного блока напротив вы­бранного разъема. Если же она закреплена «намертво» без болтов, то выломайте ее.

• Слегка покачивая, вставьте сетевую карту в разъем и убедитесь, что она вошла туда до упора.

• Прикрутите сетевую карту болтом к корпусу системного блока в том месте, где раньше была закреплена заглушка.

• Наденьте и закрепите болтами крышку системного блока компьютера. После установки сетевых карт в компьютеры, необходимо смонтировать сеть.

Монтаж локальной сети на основе витой пары

В зависимости от количества компьютеров, монтаж локальной сети на основе витой пары несколько различается.

Два компьютера

Для соединения двух компьютеров с помощью витой пары необходимо иметь:

• 2 сетевые карты ТР или Combo;

• 2 вилки с разъемом RJ-45;

• кусок витой пары пятой категории.

□ Проложите витую пару по нужному пути между двумя компьютерами, не допуская повреждений, сильных изгибов и перекручивания. Оставьте с каждой стороны запас пару метров на случай возможных перестановок компьютеров и для удобства монтажа разъемов.

□ Обрежьте слои изоляции на нужную длину с обоих концов кабеля. Проще всего сделать это с помощью специального устройства для обрезки витой пары.

□ Закрепите вилки RJ-45 на обоих концах кабеля в соответствии со схемой «cross-over» (нуль-хабного кабеля), предназначенной для соединения 4-х или 8-жильной витой пары.

Схема соединения 4-жильной витой пары с вилками RJ-45 для подключения двух компьютеров «cross-over» (нуль-хабного кабеля) показана в следующей таблице:

одна вилка RJ-45	цвет провода	другая вилка RJ-45
1	бело-оранжевый	3
2	оранжевый	6
3	бело-синий	1
6	синий	2

Схема соединения 8-жильной витой пары с вилками RJ-45 для подключения двух ком­пьютеров «cross-over» (нуль-хабного кабеля) показана в следующей таблице:

одна вилка RJ-45	цвет провода	другая вилка RJ-45
1	бело-зеленый	3
2	зеленый	6
3	бело-оранжевый	1
4	синий	4
5	бело-синий	5
6	оранжевый	2
7	бело-коричневый	7
8	коричневый	8

□ Установите до щелчка вилки RJ-45 в разъемы на сетевых картах.

В результате должно получиться нужное соединение, которое будет выглядеть примерно так, как показано на схеме (Рис. 1.15).

Небольшая локальная сеть

При создании небольшой локальной сети, состоящей из трех или более компьютеров (Рис. 1.16), придется несколько изменить технологию монтажа по сравнению с двумя компьютерами, а именно:

• использовать концентратор;

• по-другому подключать провода витой пары к вилке RJ-45.

Порядок выполнения монтажа:

□ Проложите витую пару по нужному пути между концентратором и всеми компьютерами, не допус­кая повреждений, сильных изгибов и перекручива­ния. Оставьте с каждой стороны запас длиной в па­ру метров на случай возможных перестановок компьютеров и для удобства монтажа разъемов.

□ Обрежьте слои изоляции на нужную длину с обоих концов кабеля. Проще всего сделать это с помощью специального устройства для обрезки витой пары.

□ Закрепите вилки RJ-45 на обоих концах кабеля в соответствии со схемой прямого соединения, предназначенной для 4-х или 8-жильной витой пары.

одна вилка RJ-45	цвет провода	другая вилка RJ-45
1	бело-оранжевый	1
2	оранжевый	2
3	бело-синий	3
6	синий	6

Схема соединения 8-жильной витой пары с вилками RJ-45 для подключения к концентратору показана в следующей таблице:

одна вилка RJ-45	цвет провода	другая вилка RJ-45
1	бело-зеленый	1
2	зеленый	2
3	бело-оранжевый	3
4	синий	4
5	бело-синий	5
6	оранжевый	6
7	бело-коричневый	7
8	коричневый	8

□ Установите до щелчка вилки RJ-45 в разъемы на сетевых картах и концентраторе.

Большая сеть

Для создания большой сети в доме или районе на базе витой пары необходимо связать концентраторы между собой с помощью толстого коаксиального кабеля (Рис. 1.17)

Таким образом можно соединить несколько концентраторов, но суммарная длина сегмента из толстого коаксиального кабеля не должна превышать 500 метров.

В случае необходимости дальнейшего увеличения сети можно воспользоваться повторителями (Repeater). Один повторитель позволяет увеличить общую длину кабеля в два раза. Повторителей может быть несколько, но здесь также существуют свои ограничения

• максимальное число повторителей - 4;

• максимальное число кабельных сегментов, напрямую связанных между собой повторителями, - 5, в том числе 3 сегмента с концентраторами и 2 связующих;

• суммарная длина этих сегментов - 2500 метров;

• максимальное количество повторителей, подключенных к одному сегменту, - 100.