Метод передачи данных локальной сети fast ethernet. Оборудование Ethernet и Fast Ethernet

Ethernet - это самый распространенный на сегодняшний день стандарт локальных сетей. Общее количество сетей, использующих в настоящее время

Fast Ethernet

Технология Fast Ethernet во многом совпадает с традиционной технологией Ethernet, но быстрее ее в 10 раз. Fast Ethernet или 100BASE-T работает со скоростью 100 мегабит в секунду (Mbps) вместо 10 для традиционного варианта Ethernet. Технология 100BASE-T использует кадры того же формата и длины, как Ethernet и не требует изменения протоколов высших уровней, приложений или сетевых ОС на рабочих станциях. Вы можете маршрутизировать и коммутировать пакеты между сетями 10 Mbps и 100 Mbps без трансляции протоколов и связанных с ней задержек. Технология Fast Ethernet использует протокол CSMA/CD подуровня MAC для обеспечения доступа к среде передачи. Большинство современных сетей Ethernet построены на основе топологии "звезда", где концентратор является центром сети, а кабели от концентратора тянутся к каждому компьютеру. Такая же топология используется в сетях Fast Ethernet, хотя диаметр сети несколько меньше по причине более высокой скорости. Fast Ethernet использует неэкранированный кабель из скрученных пар проводников (UTP), как указано в спецификации IEEE 802.3u для 100BASE-T. Стандарт рекомендует использовать кабель категории 5 с двумя или четырьмя парами проводников, помещенных в пластиковую оболочку. Кабели категории 5 сертифицированы для полосы пропускания 100 MHz. В 100BASE-TX одна пара используется для передачи данных, вторая - для обнаружения коллизий и приема.

Стандарт Fast Ethernet определяет три модификации для работы с разными видами кабелей: 100Base TX, 100Base T4 и 100Base FX. Модификации 100Base TX и 100Base T4 расчитаны на витую пару, а 100Base FX был разработан для оптического кабеля.

Стандарт 100Base TX требует применения двух экранированных или неэкранированных витых пар. Одна пара служит для передачи, другая для приёма. Этим требованиям отвечают два основных кабельных стандарта: на неэкранированную витую пару категории 5 (UTP-5) и экранированную витую пару типа 1 от IBM.

Стандарт 100Base T4 имеет менее ограничительные требования к кабелю, так как в нём задействуются все четыре пары восьмижильного кабеля: одна пара для передачи, другая для приёма, а оставшиеся две пары работают как на передачу, так и на приём. В результате, в стандарте 100Base T4 и приём и передача данных могут осуществляться по трём парам. Для реализации сетей 100Base T4 подойдут кабели с неэкранированной витой парой категории 3-5 и экранированной типа 1.

Преемственность технологий Fast Ethernet и Ethernet позволяет легко выработать рекомендации по применению: Fast Ethernet целесообразно применять в тех организациях, которые широко использовали классический Ethernet, но на сегодняшний день испытывают потребность в увеличении пропускной способности. При этом сохраняется весь накопленный опыт работы с Ethernet и, частично, сетевая инфраструктура.

Для классического Ethernet время прослушивания сети определяется максимальным расстоянием, которое 512-битный кадр может пройти по сети за время, равное времени обработки этого кадра на рабочей станции. Для сети Ethernet это расстояние равно 2500 метров. В сети Fast Ethernet этот же самый 512-битный кадр за время, необходимое на его обработку на рабочей станции, пройдёт всего 250 метров.

Основная область работы Fast Ethernet сегодня - это сети рабочих групп и отделов. Целесообразно совершать переход к Fast Ethernet постепенно, оставляя Ethernet там, где он хорошо справляется с поставленными задачами. Одним из очевидных случаев, когда Ethernet не следует заменять технологией Fast Ethernet, является подключение к сети старых персональных компьютеров с шиной ISA.

Gigabit Ethernet/

эта технология использует тот же формат кадров, тот же метод доступа к среде передачи CSMA/CD, те же механизмы контроля потоков и те же управляющие объекты, все же Gigabit Ethernet отличается от Fast Ethernet больше, чем Fast Ethernet от Ethernet. В частности, если для Ethernet было характерно разнообразие поддерживаемых сред передачи, что давало повод говорить о том, что он может работать хоть по колючей проволоке, то в Gigabit Ethernet волоконно-оптические кабели становятся доминирующей средой передачи (это, конечно, далеко не единственное отличие, но с остальными мы подробнее познакомимся ниже). Кроме того, Gigabit Ethernet ставит несравнимо более сложные технические задачи и предъявляет гораздо более высокие требования к качеству проводки. Иными словами, он гораздо менее универсален, чем его предшественники.

СТАНДАРТЫ GIGABIT ETHERNET

Основные усилия рабочей группы IEEE 802.3z направлены на определение физических стандартов для Gigabit Ethernet. За основу она взяла стандарт ANSI X3T11 Fibre Channel, точнее, два его нижних подуровня: FC-0 (интерфейс и среда передачи) и FC-1 (кодирование и декодирование). Зависимая от физической среды спецификация Fibre Channel определяет в настоящее время скорость 1,062 гигабод в секунду. В Gigabit Ethernet она была увеличена до 1,25 гигабод в секунду. С учетом кодирования по схеме 8B/10B мы получаем скорость передачи данных в 1 Гбит/с.

Технология Ethernet

Ethernet – это самый распространенный на сегодняшний день стандарт локальных сетей.

Ethernet – это сетевой стандарт, основанный на экспериментальной сети Ethernet Network, которую фирма Xerox разработала и реализовала в 1975 году.

В 1980 году фирмы DEC, Intel и Xerox совместно разработали и опубликовали стандарт Ethernet версии II для сети, построенной на основе коаксиального кабеля, который стал последней версией фирменного стандарта Ethernet. Поэтому фирменную версию стандарта Ethernet называют стандартом Ethernet DIX, или Ethernet II, на основе которых был разработан стандарт IEEE 802.3.

На основе стандарта Ethernet были приняты дополнительные стандарты: в 1995 году Fast Ethernet (дополнение к IEEE 802.3), в 1998 году Gigabit Ethernet (раздел IEEE 802.3z основного документа), которые во многом не являются самостоятельными стандартами.

Для передачи двоичной информации по кабелю для всех вариантов физического уровня технологии Ethernet, обеспечивающих пропускную способность 10 Мбит/с, используется манчестерский код (рис. 3.9).

В манчестерском коде для кодирования единиц и нулей используется перепад потенциала, то есть фронт импульса. При манчестерском кодировании каждый такт делится на две части. Информация кодируется перепадами потенциала, происходящими в середине каждого такта. Единица кодируется перепадом от низкого уровня сигнала к высокому (передним фронтом импульса), а ноль ‑ обратным перепадом (задним фронтом).

Рис. 3.9. Дифференциальное манчестерское кодирование

В стандарте Ethernet (в том числе Fast Ethernet и Gigabit Ethernet) используется один и тот же метод разделения среды передачи данных ‑ метод CSMA/CD.

Каждый ПК работает в Ethernet согласно принципу «Слушай канал передачи, перед тем как отправить сообщения; слушай, когда отправляешь; прекрати работу в случае помех и попытайся еще раз».

Данный принцип можно расшифровать (объяснить) следующим образом:

1. Никому не разрешается посылать сообщения в то время, когда этим занят уже кто-то другой (слушай перед тем, как отправить).

2. Если два или несколько отправителей начинают посылать сообщения примерно в один и тот же момент, рано или поздно их сообщения «столкнутся» друг с другом в канале связи, что называется коллизией.

Коллизии нетрудно распознать, поскольку они всегда вызывают сигнал помехи, который не похож на допустимое сообщение. Ethernet может распознать помехи и заставляет отправителя приостановить передачу и подождать некоторое время, прежде, чем повторно отправить сообщение.

Причины широкой распространенности и популярности Ethernet (достоинства):

1. Дешевизна.

2. Большой опыт использования.

3. Продолжающиеся нововведения.

4. Богатство выбора оборудования. Многие изготовители предлагают аппаратуру построения сетей, базирующуюся на Ethernet.

Недостатки Ethernet:

1. Возможность столкновений сообщений (коллизии, помехи).

2. В случае большой загрузки сети время передачи сообщений непредсказуемо.

Технология Token Ring

Сети Token Ring, как и сети Ethernet, характеризует разделяемая среда передачи данных, которая состоит из отрезков кабеля, соединяющих все станции сети в кольцо. Кольцо рассматривается как общий разделяемый ресурс, и для доступа к нему требуется не случайный алгоритм, как в сетях Ethernet, а детерминированный, основанный на передаче станциям права на использование кольца в определенном порядке. Это право передается с помощью кадра специального формата, называемого маркером, или токеном (token) .

Технология Token Ring был разработана компанией IBM в 1984 году, а затем передана в качестве проекта стандарта в комитет IEЕЕ 802, который на ее основе принял в 1985 году стандарт 802.5.

Каждый ПК работает в Token Ring согласно принципу «Ждать маркера, если необходимо послать сообщение, присоединить его к маркеру, когда он будет проходить мимо. Если проходит маркер, снять с него сообщение и отправить маркер дальше».

Сети Token Ring работают с двумя битовыми скоростями ‑ 4 и 16 Мбит/с. Смешение станций, работающих на различных скоростях, в одном кольце не допускается.

Технология Token Ring является более сложной технологией, чем Ethernet. Она обладает свойствами отказоустойчивости. В сети Token Ring определены процедуры контроля работы сети, которые используют обратную связь кольцеобразной структуры ‑ посланный кадр всегда возвращается в станцию-отправитель.

Рис. 3.10. Принцип технологии TOKEN RING

В некоторых случаях обнаруженные ошибки в работе сети устраняются автоматически, например, может быть восстановлен потерянный маркер. В других случаях ошибки только фиксируются, а их устранение выполняется вручную обслуживающим персоналом.

Для контроля сети одна из станций выполняет роль так называемого активного монитора. Активный монитор выбирается во время инициализации кольца как станция с максимальным значением МАС-адреса. Если активный монитор выходит из строя, процедура инициализации кольца повторяется и выбирается новый активный монитор. Сеть Token Ring может включать до 260 узлов.

Концентратор Token Ring может быть активным или пассивным. Пассивный концентратор просто соединяет порты внутренними связями так, чтобы станции, подключаемые к этим портам, образовали кольцо. Ни усиление сигналов, ни их ресинхронизацию пассивный MSAU не выполняет.

Активный концентратор выполняет функции регенерации сигналов, и поэтому иногда называется повторителем, как в стандарте Ethernet.

В общем случае сеть Token Ring имеет комбинированную звездно-кольцевую конфигурацию. Конечные узлы подключаются к MSAU по топологии звезды, а сами MSAU объединяются через специальные порты Ring In (RI) и Ring Out (RO) для образования магистрального физического кольца.

Все станции в кольце должны работать на одной скорости либо 4 Мбит/с, либо 16 Мбит/с. Кабели, соединяющие станцию с концентратором, называются ответвительными (lobe cable), а кабели, соединяющие концентраторы, – магистральными (trunk cable).

Технология Token Ring позволяет использовать для соединения конечных станций и концентраторов различные типы кабеля:

– STP Type 1 ‑ экранированная витая пара (Shielded Twistedpair).
В кольцо допускается объединять до 260 станций при длине ответвительных кабелей до 100 метров;

– UTP Туре 3, UTP Туре 6 ‑ неэкранированная витая пара (Unshielded Twistedpair). Максимальное количество станций сокращается до 72 при длине ответвительных кабелей до 45 метров;

– волоконно-оптический кабель.

Расстояние между пассивными MSAU может достигать 100 м при использовании кабеля STP Туре 1 и 45 м при использовании кабеля UTP Type 3. Между активными MSAU максимальное расстояние увеличивается соответственно до 730 м или 365 м в зависимости от типа кабеля.

Максимальная длина кольца Token Ring составляет 4000 м. Ограничения на максимальную длину кольца и количество станций в кольце в технологии Token Ring не являются такими жесткими, как в технологии Ethernet. Здесь эти ограничения в основном связаны со временем оборота маркера по кольцу.

Все значения тайм-аутов в сетевых адаптерах узлов сети Token Ring можно настраивать, поэтому можно построить сеть Token Ring с большим количеством станций и с большей длиной кольца.

Преимущества технологии Token Ring:

· гарантированная доставка сообщений;

· высокая скорость передачи данных (до 160% Ethernet).

Недостатки технологии Token Ring:

· необходимы дорогостоящие устройства доступа к среде;

· технология более сложная в реализации;

· необходимы 2 кабеля (для повышения надежности): один входящий, другой исходящий от компьютера к концентратору;

· высокая стоимость (160-200% от Ethernet).

Технология FDDI

Технология FDDI (Fiber Distributed Data Interface) – оптоволоконный интерфейс распределенных данных ‑ это первая технология локальных сетей, в которой средой передачи данных является волоконно-оптический кабель. Технология появилась в середине 80-х годов.

Технология FDDI во многом основывается на технологии Token Ring, поддерживая метод доступа с передачей маркера.

Сеть FDDI строится на основе двух оптоволоконных колец, которые образуют основной и резервный пути передачи данных между узлами сети. Наличие двух колец – это основной способ повышения отказоустойчивости в сети FDDI, и узлы, которые хотят воспользоваться этим повышенным потенциалом надежности, должны быть подключены к обоим кольцам.

В нормальном режиме работы сети данные проходят через все узлы и все участки кабеля только первичного (Primary) кольца, этот режим назван режимом Thru ‑ «сквозным», или «транзитным». Вторичное кольцо (Secondary) в этом режиме не используется.

В случае какого-либо вида отказа, когда часть первичного кольца не может передавать данные (например, обрыв кабеля или отказ узла), первичное кольцо объединяется со вторичным, вновь образуя единое кольцо. Этот режим работы сети называется Wrap, то есть «свертывание» или «сворачивание» колец. Операция свертывания производится средствами концентраторов и/или сетевых адаптеров FDDI.

Рис. 3.11. ИВС с двумя циклическими кольцами в аварийном режиме

Для упрощения этой процедуры данные по первичному кольцу всегда передаются в одном направлении (на диаграммах это направление изображается против часовой стрелки), а по вторичному – в обратном (изображается по часовой стрелке). Поэтому при образовании общего кольца из двух колец передатчики станций по-прежнему остаются подключенными к приемникам соседних станций, что позволяет правильно передавать и принимать информацию соседними станциями.

Сеть FDDI может полностью восстанавливать свою работоспособность в случае единичных отказов ее элементов. При множественных отказах сеть распадается на несколько не связанных сетей.

Кольца в сетях FDDI рассматриваются как общая разделяемая среда передачи данных, поэтому для нее определен специальный метод доступа. Этот метод очень близок к методу доступа сетей Token Ring и также называется методом маркерного (или токенного) кольца – token ring.

Отличия метода доступа заключаются в том, что время удержания маркера в сети FDDI не является постоянной величиной. Это время зависит от загрузки кольца - при небольшой загрузке оно увеличивается, а при больших перегрузках может уменьшаться до нуля. Эти изменения в методе доступа касаются только асинхронного трафика, который не критичен к небольшим задержкам передачи кадров. Для синхронного трафика время удержания маркера по-прежнему остается фиксированной величиной.

Технология FDDI в настоящее время поддерживает типа кабелей:

– волоконно-оптический кабель;

– неэкранированная витая пара категории 5. Последний стандарт появился позже оптического и носит название TP-PMD (Physical Media Dependent).

Оптоволоконная технология обеспечивает необходимые средства для передачи данных от одной станции к другой по оптическому волокну и определяет:

Использование в качестве основной физической среды многомодового волоконно-оптического кабеля 62,5/125 мкм;

Требования к мощности оптических сигналов и максимальному затуханию между узлами сети. Для стандартного многомодового кабеля эти требования приводят к предельному расстоянию между узлами в 2 км, а для одномодового кабеля расстояние увеличивается до 10–40 км в зависимости от качества кабеля;

Требования к оптическим обходным переключателям (optical bypass switches) и оптическим приемопередатчикам;

Параметры оптических разъемов MIC (Media Interface Connector), их маркировку;

Использование для передачи света с длиной волны в 1,3 нм;

Максимальная общая длина кольца FDDI составляет 100 километров, максимальное число станций с двойным подключением в кольце ‑ 500.

Технология FDDI разрабатывалась для применения в ответственных участках сетей ‑ на магистральных соединениях между крупными сетями, например сетями зданий, а также для подключения к сети высокопроизводительных серверов. Поэтому главные требования, у разработчиков были (достоинства ):

‑ обеспечение высокой скорости передачи данных,

‑ отказоустойчивость на уровне протокола;

‑ большие расстояния между узлами сети и большое количество подключенных станций.

Все эти цели были достигнуты. В результате технология FDDI получилась качественной, но весьма дорогой (недостаток ). Даже появление более дешевого варианта для витой пары не намного снизило стоимость подключения одного узла к сети FDDI. Поэтому практика показала, что основной областью применения технологии FDDI стали магистрали сетей, состоящих из нескольких зданий, а также сети масштаба крупного города, то есть класса MAN.

Технология Fast Ethernet

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 нового Ethernet, такой же простой и эффективной технологии, 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.

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 2-х пар UTP категории 5 или 2-х пар STP Type 1 (метод кодирования 4В/5В);

‑ l00Base-FX для многомодового волоконно-оптического кабеля с двумя оптическими волокнами (метод кодирования 4В/5В);

‑ 100Base-T4, работающую на 4-х парах UTP категории 3, но использующую одновременно только три пары для передачи, а оставшуюся ‑ для обнаружения коллизии (метод кодирования 8В/6Т).

Стандарты l00Base-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.

Технология Gigabit Ethernet

Технология Gigabit Ethernet добавляет новую, 1000 Мбит/с, ступень в иерархии скоростей семейства Ethernet. 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 в 8 раз (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),

‑ двойного коаксиального (twinax), по которому данные передаются одновременно по двум медным экранированным проводникам на расстояние до 25 м.

Для разработки варианта Gigabit Ethernet на UTP категории 5 была создана специальная группа 802.3ab, которая уже разработала проект стандарта для работы по 4-м парам UTP категории 5. Принятие этого стандарта ожидается в ближайшее время.

Простота установки.

Хорошо известная и наиболее распространенная сетевая технология.

Невысокая стоимость сетевых карт.

Возможность реализации с использованием различных типов кабеля и схем прокладки кабельной системы.

Недостатки сети Ethernet

Снижение реальной скорости передачи данных в сильно загруженной сети, вплоть до ее полной остановки, из-за конфликтов в среде передачи данных.

Трудности поиска неисправностей: при обрыве кабеля отказывает весь сегмент ЛВС, и локализовать неисправный узел или участок сети достаточно сложно.

Краткая характеристика Fast Ethernet.

Fast Ethernet (Быстрый Ethernet) - высокоскоростная технология, предложенная фирмой 3Com для реализации сети Ethernet со скоростью передачи данных 100 Мбит/с, сохранившая в максимальной степени особенности 10-мегабитного Ethernet (Ethernet-10) и реализованная в виде стандарта 802.3u (точнее дополнения к стандарту 802.3 в виде глав с 21 по 30). Метод доступа - такой же, как в Ethernet-10 - CSMA/CD уровня МАС, что позволяет использовать прежнее программное обеспечение и средства управления сетями Ethernet.

Все отличия Fast Ethernet от Ethernet-10 сосредоточены на физическом уровне. Используются 3 варианта кабельных систем:

многомодовый ВОК (используется 2 волокна);

Структура сети - иерархическая древовидная, построенная на концентраторах (как 10Base-T и 10Base-F), поскольку не используется коаксиальный кабель.

Диаметр сети Fast Ethernet сокращен до 200 метров, что объясняется уменьшением времени передачи кадра минимальной длины в 10 раз за счет увеличения скорости передачи в 10 раз по сравнению с Ethernet-10. Тем не менее, возможно построение крупных сетей на основе технологии Fast Ethernet, благодаря широкому распространению недорогих высокоскоростных технологий, а также бурному развитию ЛВС 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).

Стандарт IEEE 802.3u определяет 3 спецификации физического уровня Fast Ethernet, несовместимых друг с другом:

100Base-ТX - передача данных по двум неэкранированным парам категории 5 (2 пары UTP категории 5 или STP Type 1);

100Base-Т4 - передача данных по четырем неэкранированным парам категорий 3, 4, 5 (4 пары UTP категории 3, 4 или 5);

100Base-FX - передача данных по двум волокнам многомодового ВОК.

Чему равно время передачи кадра минимальной (максимальной) длины (вместе с преамбулой) в битовых интервалах для сети Ethernet 10Мбит/с?

? 84 / 1538

Что такое PDV (PVV)?

PDV - время, за которое сигнал коллизии успевает распространиться от самого дальнего узла сети – время двойного оборота (Path Delay Value)

PVV - сокращение межкадрового интервала (Path Variability Value)

Чему равно ограничение на PDV (PVV)?

PDV- не более575 битовых интервала

PVV- при прохождении последовательности кадров через все повторители должно быть не больше, чем 49 битовых интервала

Сколько битовых интервалов составляет достаточный запас надежности для PDV? 4

Когда необходимо рассчитывать максимальное количество повторителей и максимальную длину сети? Почему нельзя просто применить правила «5-4-3» или «4-х хабов»?

Когда разные типы сред передачи

Перечислите основные условия корректной работы сети Ethernet, состоящей из сегментов различной физической природы.

кол-во станций не больше 1024

длины всех ответвлений не больше стандарта

PDVне больше 575

PVV- при прохождении последовательности кадров через все повторители должно быть не больше, чем 49 битовых интервала

Что понимают под базой сегмента при расчете PDV?

Задержки, вносимые повторителями

Где в худшем случае происходит столкновение кадров: в правом, левом или промежуточном сегменте?

В правом – принимающем

В каком случае необходимо выполнять расчет PDV дважды? Почему?

Если различная длина сегментов на удаленных краях сети, т.к. они имеют разные величины базовой задержки.

Краткая характеристика ЛВС Token Ring.

Token Ring (маркерное кольцо) - сетевая технология, в которой станции могут передавать данные только тогда, когда они владеют маркером, непрерывно циркулирующим по кольцу.

Максимальное число станций в одном кольце - 256.

Максимальное расстояние между станциями зависит от типа передающей среды (линии связи) и составляет:

До 8 колец (MSAU) могут быть соединены мостами.

Максимальная протяженность сети зависит от конфигурации.

Назначение сетевой технологии Token Ring.

Сеть Token Ring предложена фирмой IBM в 1985 году (первый вариант появился в 1980 году). Назначением Token Ring было объединение в сеть всех типов ЭВМ, выпускаемых фирмой (от ПК до больших ЭВМ).

Каким международным стандартом определена сетевая технология Token Ring?

Token Ring является в настоящее время международным стандартом IEEE 802.5.

Какая пропускная способность обеспечивается в ЛВС Token Ring?

Существует два варианта этой технологии, обеспечивающие скорость передачи данных 4 и 16 Мбит/с соответственно.

Что представляет собой устройство множественного доступа MSAU?

Концентратор MSAU представляет собой автономный блок с 8-ю разъемами для подключения компьютеров с помощью адаптерных кабелей и двумя крайними разъемами для подключения к другим концентраторам с помощью магистральных кабелей.

Несколько MSAU могут конструктивно объединяться в группу (кластер/cluster), внутри которого абоненты соединены в кольцо, что позволяет увеличить количество абонентов, подключенных к одному центру.

Каждый адаптер соединяется с MSAU с помощью двух разнонаправленных линий связи.

Нарисовать структуру и описать функционирование ЛВС Token Ring на основе одного (нескольких) MSAU.

Одного – см. выше

Несколько – (продеолжение)…Такими же двумя разнонаправленными линиями связи, входящими в магистральный кабель, могут быть связаны MSAU в кольцо (рис.3.3), в отличие от однонаправленного магистрального кабеля, как это показано на рис.3.2.

Каждый узел ЛВС принимает кадр от соседнего узла, восстанавливает уровни сигналов до номинальных и передает кадр следующему узлу.

Передаваемый кадр может содержать данные или являться маркером, представляющим собой специальный служебный 3-х байтовый кадр. Узел, владеющий маркером, имеет право на передачу данных.

Когда РС необходимо передать кадр, ее адаптер дожидается поступления маркера, а затем преобразует его в кадр, содержащий данные, сформированные по протоколу соответствующего уровня, и передает его в сеть. Пакет передается по сети от адаптера к адаптеру, пока не достигнет адресата, который установит в нем определенные биты для подтверждения того, что кадр получен адресатом, и ретранслирует его далее в сеть. Пакет продолжает движение по сети до возвращения в узел-отправитель, в котором проверяется правильность передачи. Если кадр был передан адресату без ошибок, узел передает маркер следующему узлу. Таким образом, в ЛВС с передачей маркера невозможны столкновения кадров.

В чем отличие физической топологии ЛВС Token Ring от логической?

Физическая топология Token Ring может быть реализована двумя способами:

1) "звезда" (рис.3.1);

Логическая топология во всех способах - "кольцо". Пакет передается от узла к узлу по кольцу до тех пор, пока он не вернется в узел, где он был порожден.

Нарисовать возможные варианты структуры ЛВС Token Ring.

1) "звезда" (рис.3.1);

2) "расширенное кольцо" (рис.3.2).

Краткое описание функциональной организации ЛВС Token Ring. См. №93

Понятие и функции активного монитора в ЛВС Token Ring.

При инициализации ЛВС Token Ring одна из рабочих станций назначается в качестве активного монитора , на который возлагаются дополнительные контрольные функции в кольце:

временной контроль в логическом кольце с целью выявления ситуаций, связанных с потерей маркера;

формирование нового маркера после обнаружения потери маркера;

формирование диагностических кадров при определенных обстоятельствах.

При выходе активного монитора из строя, назначается новый активный монитор из множества других РС.

Какой режим (способ) передачи маркера используется в ЛВС Token Ring со скоростью 16 Мбит/с?

Для увеличения производительности сети в Token Ring со скоростью 16 Мбит/с используется так называемый режим ранней передачи маркера (Early Token Release - ETR), при котором РС передает маркер следующей РС сразу после передачи своего кадра. При этом у следующей РС появляется возможность передавать свои кадры, не ожидая завершения передачи исходной РС.

Перечислить типы кадров, используемых в ЛВС Token Ring.

маркер; кадр данных; последовательность завершения.

Нарисовать и пояснить формат маркера (кадра данных, последовательности завершения) ЛВС Token Ring.

Формат маркера

КО - конечный ограничитель - [ J | K | 1 | J | K | 1 | ПК | ОО ]

Формат кадра данных

СПК - стартовая последовательность кадра

НО - начальный ограничитель - [ J|K| 0 |J|K| 0 | 0 | 0 ]

УД - управление доступом - [ P|P|P|T|M|R|R|R]

УК - управление кадром

АН - адрес назначения

АИ - адрес источника

Данные - поле данных

КС - контрольная сумма

ПКК - признак конца кадра

КО - конечный ограничитель

СК - статус кадра

Формат последовательности завершения

Структура поля "управление доступом" в кадре ЛВС Token Ring.

УД - управление доступом (Access Control) - имеет следующую структуру: [ P | P | P | T | M | R | R | R ] , где PPP - биты приоритета;

сетевой адаптер имеет возможность присваивать приоритеты маркеру и кадрам данных путем записи в поле битов приоритета уровня приоритета в виде чисел от 0 до 7 (7 - наивысший приоритет); РС имеет право передачи сообщения только в том случае, когда ее собственный приоритет не ниже приоритета маркера, который она получила;T - бит маркера: 0 для маркера и 1 для кадра данных;M - бит монитора:1, если кадр передан активным монитором и 0 - в противном случае; получение активным монитором кадра с битом монитора, равным 1, означает, что сообщение или маркер обошло ЛВС не найдя адресата;RRR - биты резервирования используются совместно с битами приоритета; РС может резервировать дальнейшее использование сети, поместив значение своего приоритета в биты резервирования, если ее приоритет выше текущего значения поля резервирования;

после этого, когда передающий узел, получив вернувшийся кадр данных, формирует новый маркер, он устанавливает его приоритет равным значению поля резервирования у полученного перед этим кадра; таким образом маркер будет передан узлу, установившему в поле резервирования наивысший приоритет;

Назначение битов приоритета (бита маркера, бит монитора, битов резервирования) поля "управление доступом" в маркере ЛВС Token Ring. См выше

В чем отличие кадров уровня MAC от кадров уровня LLC?

УК - управление кадром (Frame Control - FC) определяет тип кадра (MAC или LLC) и контрольный код MAC; однобайтовое поле содержит две области:

Где FF - формат (тип) кадра: 00 - для кадра типа MAC; 01 - для кадра уровня LLC; (значения 10 и 11 зарезервированы); 00 - неиспользуемые резервные разряды; CCCC - код УДС-кадра MAC (поле физического управления), определяющий к какому типу (определенных стандартом IEEE 802.5) управляющих кадров уровня MAC он принадлежит;

В каком поле кадра данных указывается принадлежность к типу MAC (LLC)? В поле УК (см.выше)

Длина поля данных в кадрах ЛВС Token Ring.

специального ограничения на длину поля данных нет, хотя практически оно возникает из-за ограничений на допустимое время занятия сети отдельной рабочей станцией и составляет 4096 байт и может достигать 18 Кбайт для сети со скоростью передачи 16 Мбит/с.

Какую дополнительную информацию и для чего содержит концевой разделитель кадра ЛВС Token Ring?

КО - конечный ограничитель, содержащий, кроме уникальной последовательности электрических импульсов, еще две области длиной 1 бит каждая:

бит промежуточного кадра (Intermediate Frame), принимающий значения:

1, если данный кадр является частью многопакетной передачи,

0, если кадр является последним или единственным;

бит обнаруженной ошибки (Error-detected), который устанвливается в 0 в момент создания кадра в источнике и может быть изменен на значение 1 в случае обнаружения ошибки при прохождении через узлы сети; после этого кадр ретранслируется без контроля шибок в последующих узлах до достижения узла источника, который в этом случае предпримет повторную попытку передачи кадра;

Как функционирует сеть Token Ring, если "бит обнаруженной ошибки" в концевом разделителе кадра имеет значение "1"?

после этого кадр ретранслируется без контроля шибок в последующих узлах до достижения узла источника, который в этом случае предпримет повторную попытку передачи кадра;

Структура поля "статус пакета" кадра данных ЛВС Token Ring.

СК - (состояние) статус кадра (Frame Status - FS) - однобайтовое поле, содержащее 4 резервных бита (R) и два внутренних поля:

бит (индикатор) распознавания адреса (A);

бит (индикатор) копирования пакета (С): [ AC RR AC RR ]

Так как контрольная сумма не охватывает поле СП, то каждое однобитное поле в байте задублировано для гарантии достоверности данных.

Передающий узел устанавливает в 0 биты А и С .

Приемный узел после получения кадра устанавливает бит А в 1.

Если после копирования кадра в буфер приемного узла не обнаружено ошибок в кадре, то бит С также устанавливается в 1.

Таким образом, признаком успешной передачи кадра является возвращение кадра к источнику с битами: А =1 и С =1.

А=0 означает, что станции-адресата больше нет в сети или РС вышла из строя (выключена).

А=1 и С=0 означает, что произошла ошибка на пути кадра от источника к адресату (при этом также будет установлен в 1 бит обнаружения ошибки в концевом разделителе).

А=1, С=1 и бит обнаружения ошибки = 1 означает, что ошибка произошла на обратном пути кадра от адресата к источнику, после того как кадр был успешно принят узлом-адресатом.

О чем свидетельствует значение "бита распознавания адреса" ("бита копирования пакета в буфер"), равное 1 (0)? - См выше

Максимальное число станций в одном кольце ЛВС Token Ring равно...? -256

Чему равно максимальное расстояние между станциями в ЛВС Token Ring?

Максимальное расстояние между станциями зависит от типа передающей среды

(линии связи) и составляет:

100 метров - для витой пары (UTP категории 4);

150 метров - для витой пары (IBM тип 1);

3000 метров - для оптоволоконного многомодового кабеля.

Достоинства и недостатки Token Ring.

Достоинства Token Ring:

отсутствие конфликтов в среде передачи данных;

обеспечивается гарантированное время доступа всем пользователям сети;

сеть Token Ring хорошо функционирует и при больших нагрузках, вплоть до нагрузки 100%, в отличие от Ethernet, в которой уже при нагрузке 30% и более существенно возрастает время доступа; это крайне важно для сетей реального времени;

больший допустимый размер передаваемых данных в одном кадре (до 18 Кбайт), по сравнению с Ethernet, обеспечивает более эффективное функционирование сети при передаче больших объемов данных;

реальная скорость передачи данных в сети Token Ring может оказаться выше, чем в обычном Ethernet (реальная скорость зависит от особенностей аппаратуры используемых адаптеров и от быстродействия компьютеров сети).

Недостатки Token Ring:

более высокая стоимость сети Token Ring по сравнению с Ethernet, так как:

дороже адаптеры из-за более сложного протокола Token Ring;

дополнительные затраты на приобретение концентраторов MSAU;

меньшие размеры сети Token Ring по сравнению с Ethernet;

необходимость контроля за целостностью маркера.

В каких ЛВС отсутствуют конфликты в среде передачи данных (обеспечивается гарантированное время доступа всем пользователям сети)?

В ЛВС с маркерным доступом

Краткая характеристика ЛВС FDDI.

Максимальное число станций в кольце - 500.

Максимальная протяженность сети - 100 км.

Среда передачи - оптоволоконный кабель (возможно применение витой пары).

Максимальное расстояние между станциями зависит от типа передающей среды и составляет:

2 км - для оптоволоконного многомодового кабеля.

50 (40 ?) км - для оптоволоконного одномодового кабеля;

100 м - для витой пары (UTP категории 5);

100 м - для витой пары (IBM тип 1).

Метод доступа - маркерный.

Скорость передачи данных - 100 Мбит/с (200 Мбит/с для дуплексного режима передачи).

Ограничение на общую длину сети обусловлено ограничением времени полного прохождения сигнала по кольцу для обеспечения предельно допустимого времени доступа. Максимальное расстояние между абонентами определяется затуханием сигналов в кабеле.

Что означает аббревиатура FDDI?

FDDI (Fiber Distributed Data Interface -оптоволоконный интерфейс распределения данных) - одна из первых высокоскоростных технологий ЛВС.

Назначение сетевой технологии FDDI.

Стандарт FDDI ориентирован на высокую скорость передачи данных - 100 Мбит/с. Этот стандарт задумывался так, чтобы максимально соответствовать стандарту IEEE 802.5 Token Ring. Небольшие отличия от этого стандарта определяются необходимостью обеспечения большей скорости передачи данных на большие расстояния.

FDDI-технология предусматривает использование оптического волокна в качестве среды передачи, что обеспечивает:

высокую надежность;

гибкость реконфигурации;

высокую скорость передачи данных - 100 Мбит/с;

большие расстояния между станциями (для многомодового волокна - 2 км; для одномодового при использовании лазерных диодов - до 40 км; максимальная длина всей сети - 200 км).

Какая пропускная способность обеспечивается в ЛВС FDDI?

Ethernet , состоящей из сегментов различных типов, возникает много вопросов, связанных прежде всего с максимально допустимым размером (диаметром) сети и максимально возможным числом различных элементов. Сеть будет работоспособной только в том случае, если задержка распространения сигнала в ней не превысит предельной величины. Это определяется выбранным методом управления обменом CSMA/CD , основанном на обнаружении и разрешении коллизий.

Прежде всего, следует отметить, что для получения сложных конфигураций Ethernet из отдельных сегментов применяются промежуточные устройства двух основных типов:

• Репитерные концентраторы (хабы) представляют собой набор репитеров и никак логически не разделяют сегменты, подключенные к ним;
• Коммутаторы передают информацию между сегментами, но не передают конфликты с сегмента на сегмент.

При использовании более сложных коммутаторов конфликты в отдельных сегментах решаются на месте, в самих сегментах, но не распространяются по сети, как в случае применения более простых репитерных концентраторов. Это имеет принципиальное значение для выбора топологии сети Ethernet , так как используемый в ней метод доступа CSMA/CD предполагает наличие конфликтов и их разрешение, причем общая длина сети как раз и определяется размером зоны конфликта, области коллизии (collision domain). Таким образом, применение репитерного концентратора не разделяет зону конфликта, в то время как каждый коммутирующий концентратор делит зону конфликта на части. В случае применения коммутатора оценивать работоспособность надо для каждого сегмента сети отдельно, а при использовании репитерных концентраторов – для сети в целом.

На практике репитерные концентраторы применяются гораздо чаще, так как они и проще и дешевле. Поэтому в дальнейшем речь пойдет именно о них.

При выборе и оценке конфигурации Ethernet используются две основные модели.

Правила модели 1

Первая модель формулирует набор правил, которые необходимо соблюдать проектировщику сети при соединении отдельных компьютеров и сегментов:

1. Репитер или концентратор, подключенный к сегменту, снижает на единицу максимально допустимое число абонентов, подключаемых к сегменту.
2. Полный путь между двумя любыми абонентами должен включать в себя не более пяти сегментов, четырех концентраторов (репитеров) и двух трансиверов (MAU).
3. Если путь между абонентами состоит из пяти сегментов и четырех концентраторов (репитеров), то количество сегментов, к которым подключены абоненты, не должно превышать трех, а остальные сегменты должны просто связывать между собой концентраторы (репитеры). Это уже упоминавшееся "правило 5-4-3".
4. Если путь между абонентами состоит из четырех сегментов и трех концентраторов (репитеров), то должны выполняться следующие условия:
   • максимальная длина оптоволоконного кабеля сегмента 10BASE-FL , соединяющего между собой концентраторы (репитеры), не должна превышать 1000 метров;
   • максимальная длина оптоволоконного кабеля сегмента 10BASE-FL , соединяющего концентраторы (репитеры) с компьютерами, не должна превышать 400 метров;
   • ко всем сегментам могут подключаться компьютеры.

При выполнении перечисленных правил можно быть уверенным, что сеть будет работоспособной. Никаких дополнительных расчетов в данном случае не требуется. Считается, что соблюдение данных правил гарантирует допустимую величину задержки сигнала в сети.

При организации взаимодействия узлов в локальных сетях основная роль отводится протоколу канального уровня. Однако для того, чтобы канальный уровень мог справиться с этой задачей, структура локальных сетей должна быть вполне определенной, так, например, наиболее популярный протокол канального уровня - Ethernet - рассчитан на параллельное подключение всех узлов сети к общей для них шине - отрезку коаксиального кабеля. Подобный подход, заключающийся в использовании простых структур кабельных соединений между компьютерами локальной сети, соответствовал основной цели, которую ставили перед собой разработчики первых локальных сетей во второй половине 70-х годов. Эта цель заключалась в нахождении простого и дешевого решения для объединения нескольких десятков компьютеров, находящихся в пределах одного здания в вычислительную сеть.

В развитие технологии Ethernet созданы высокоскоростные варианты: IEEE802.3u/Fast Ethernet и IEEE802.3z/Gigabit Ethernet.

Технология Fast Ethernet является эволюционным развитием классической технологии Ethernet. Ее основными достоинствами являются:

1) увеличение пропускной способности сегментов сети до 100 Мб/c;

2) сохранение метода случайного доступа Ethernet;

3) сохранение звездообразной топологии сетей и поддержка традиционных сред передачи данных - витой пары и оптоволоконного кабеля.

Указанные свойства позволяют осуществлять постепенный переход от сетей 10Base-T - наиболее популярного на сегодняшний день варианта Ethernet - к скоростным сетям, сохраняющим значительную преемственность с хорошо знакомой технологией: Fast Ethernet не требует коренного переобучения персонала и замены оборудования во всех узлах сети. Официальный стандарт 100Base-T (802.3u) установил три различных спецификации для физического уровня (в терминах семиуровневой модели OSI) для поддержки следующих типов кабельных систем:

1) 100Base-TX для двухпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP Category 5, или экранированной витой паре STP Type 1;

2) 100Base-T4 для четырехпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP Category 3, 4 или 5;

3) 100Base-FX для многомодового оптоволоконного кабеля.

Gigabit Ethernet 1000Base-T, основана на витой паре и волоконно - оптическом кабеле. Поскольку технология Gigabit Ethernet совместима с 10 Mbps и 100Mbps Ethernet, возможен легкий переход на данную технологию без инвестирования больших средств в программное обеспечение, кабельную структуру и обучение персонала.

Технология Gigabit Ethernet - это расширение IEEE 802.3 Ethernet, использующее такую же структуру пакетов, формат и поддержку протокола CSMA/CD, полного дуплекса, контроля потока и прочее, но при этом предоставляя теоретически десятикратное увеличение производительности. CSMA/CD (Carrier-Sense Multiple Access with Collision Detection - множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий) - технология множественного доступа к общей передающей среде в локальной компьютерной сети с контролем коллизий. CSMA/CD относится к децентрализованным случайным методам. Он используется как в обычных сетях типа Ethernet, так и в высокоскоростных сетях (Fast Ethernet, Gigabit Ethernet). Так же называют сетевой протокол, в котором используется схема CSMA/CD. Протокол CSMA/CD работает на канальном уровне в модели OSI.

Gigabit Ethernet - обеспечивает скорость передачи 1000 Мбит/с. Существуют следующие модификации стандарта:

1) 1000BASE-SX - применяется оптоволоконный кабель с длиной волны светового сигнала 850 нм.

2) 1000BASE-LX - используется оптоволоконный кабель с длиной волны светового сигнала 1300 нм.

Fast Ethernet

Fast Ethernet - спецификация IEЕЕ 802.3 u официально принятая 26 октября 1995 года определяет стандарт протокола канального уровня для сетей работающих при использовании как медного, так и волоконно-оптического кабеля со скоростью 100Мб/с. Новая спецификация является наследницей стандарта Ethernet IEЕЕ 802.3, используя такой же формат кадра, механизм доступа к среде CSMA/CD и топологию звезда. Эволюция коснулась нескольких элементов конфигурации средств физического уровня, что позволило увеличить пропускную способность, включая типы применяемого кабеля, длину сегментов и количество концентраторов.

Структура Fast Ethernet

Чтобы лучше понять работу и разобраться во взаимодействии элементов Fast Ethernet обратимся к рисунку 1.

Рисунок 1. Система Fast Ethernet

Подуровень управления логической связью (LLC)

В спецификации IEEE 802.3 u функции канального уровня разбиты на два подуровня: управления логической связью (LLC) и уровня доступа к среде (MAC), который будет рассмотрен ниже. LLC, функции которого определены стандартом IEEE 802.2, фактически обеспечивает взаимосвязь с протоколами более высокого уровня, (например, с IP или IPX), предоставляя различные коммуникационные услуги:

• Сервис без установления соединения и подтверждений приема. Простой сервис, который не обеспечивает управления потоком данных или контроля ошибок, а также не гарантирует правильную доставку данных.
• Сервис с установлением соединения. Абсолютно надежный сервис, который гарантирует правильную доставку данных за счет установления соединения с системой-приемником до начала передачи данных и использования механизмов контроля ошибок и управления потоком данных.
• Сервис без установления соединения с подтверждениями приема. Средний по сложности сервис, который использует сообщения подтверждения приема для обеспечения гарантированной доставки, но не устанавливает соединения до передачи данных.

На передающей системе данные, переданные вниз от протокола Сетевого уровня, вначале инкапсулируются подуровнем LLC. Стандарт называет их Protocol Data Unit (PDU, протокольный блок данных). Когда PDU передается вниз подуровню MAC, где снова обрамляется заголовком и постинформацией, с этого момента технически его можно назвать кадром. Для пакета Ethernet это означает, что кадр 802.3 помимо данных Сетевого уровня содержит трехбайтовый заголовок LLC. Таким образом, максимально допустимая длина данных в каждом пакете уменьшается с 1500 до 1497 байтов.

Заголовок LLC состоит из трех полей:

В некоторых случаях кадры LLC играют незначительную роль в процессе сетевого обмена данными. Например, в сети, использующей TCP/IP наряду с другими протоколами, единственная функция LLC может заключаться в предоставлении возможности кадрам 802.3 содержать заголовок SNAP, подобно Ethertype указывающий протокол Сетевого уровня, которому должен быть передан кадр. В этом случае все PDU LLC задействуют ненумерованный информационный формат. Однако другие высокоуровневые протоколы требуют от LLC более расширенного сервиса. Например, сессии NetBIOS и несколько протоколов NetWare используют сервисы LLC с установлением соединения более широко.

Заголовок SNAP

Принимающей системе необходимо определить, какой из протоколов Сетевого уровня должен получить входящие данные. В пакетах 802.3 в рамках PDU LLC применяется еще один протокол, называемый Sub - Network Access Protocol (SNAP, протокол доступа к подсетям).

Заголовок SNAP имеет длину 5 байт и располагается непосредственно после заголовка LLC в поле данных кадра 802.3, как показано на рисунке. Заголовок содержит два поля.

Код организации. Идентификатор организации или производителя - это 3-байтовое поле, которое принимает такое же значение, как первые 3 байта МАС-адреса отправителя в заголовке 802.3.

Локальный код. Локальный код - это поле длиной 2 байта, которое функционально эквивалентно полю Ethertype в заголовке Ethernet II.

Подуровень согласования

Как было сказано ранее Fast Ethernet это эволюционировавший стандарт. MAC рассчитанный на интерфейс AUI, необходимо преобразовать для интерфейса MII, используемого в Fast Ethernet, для чего и предназначен этот подуровень.

Управление доступом к среде ( MAC)

Каждый узел в сети Fast Ethernet имеет контроллер доступа к среде (Media Access Controller - MAC). MAC имеет ключевое значение в Fast Ethernet и имеет три назначения:

Самым важным из трех назначений MAC является первое. Для любой сетевой технологии, которая использует общую среду, правила доступа к среде, определяющие, когда узел может передавать, являются ее основной характеристикой. Разработкой правил доступа к среде занимаются несколько комитетов IЕЕЕ. Комитет 802.3, часто именуемый комитетом Ethernet, определяет стандарты на ЛВС, в которых используются правила под названием CSMA/ CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection - множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов).

CSMS/ CD являются правилами доступа к среде как для Ethernet, так и для Fast Ethernet. Именно в этой области две технологии полностью совпадают.

Поскольку все узлы в Fast Ethernet совместно используют одну и ту же среду, передавать они могут лишь тогда, когда наступает их очередь. Определяют эту очередь правила CSMA/ CD.

CSMA/ CD

Контроллер MAC Fast Ethernet, прежде чем приступить к передаче, прослушивает несущую. Несущая существует лишь тогда, когда другой узел ведет передачу. Уровень PHY определяет наличие несущей и генерирует сообщение для MAC. Наличие несущей говорит о том, что среда занята и слушающий узел (или узлы) должны уступить передающему.

MAC, имеющий кадр для передачи, прежде чем передать его, должен подождать некоторый минимальный промежуток времени после окончания предыдущего кадра. Это время называется межпакетной щелью (IPG, interpacket gap) и продолжается 0,96 микросекунды, то есть десятую часть от времени передачи пакета обычной Ethernet со скоростью 10 Мбит/с (IPG - единственный интервал времени, всегда определяемый в микросекундах, а не во времени бита) рисунок 2.

Рисунок 2. Межпакетная щель

После окончания пакета 1 все узлы ЛВС обязаны подождать в течение времени IPG, прежде чем смогут передавать. Временной интервал между пакетами 1 и 2, 2 и 3 на рис. 2 - это время IPG. После завершения передачи пакета 3 ни один узел не имел материала для обработки, поэтому временной интервал между пакетами 3 и 4 длиннее, чем IPG.

Все узлы сети должны соблюдать эти правила. Даже если на узле имеется много кадров для передачи и данный узел является единственным передающим, то после пересылки каждого пакета он должен выждать в течение, по крайней мере, времени IPG.

Именно в этом заключается часть CSMA правил доступа к среде Fast Ethernet. Короче говоря, многие узлы имеют доступ к среде и используют несущую для контроля ее занятости.

В ранних экспериментальных сетях применялись именно эти правила, и такие сети работали очень хорошо. Тем не менее, использование лишь CSMA привело к возникновению проблемы. Часто два узла, имея пакет для передачи и прождав время IPG, начинали передавать одновременно, что приводило к искажению данных с обеих сторон. Такая ситуация называется коллизией (collision) или конфликтом.

Для преодоления этого препятствия ранние протоколы использовали достаточно простой механизм. Пакеты делились на две категории: команды и реакции. Каждая команда, переданная узлом, требовала реакции. Если в течение некоторого времени (называемого периодом тайм-аута) после передачи команды реакция на нее не была получена, то исходная команда подавалась вновь. Это могло происходить по нескольку раз (предельное количество тайм-аутов), прежде чем передающий узел фиксировал ошибку.

Эта схема могла прекрасно работать, но лишь до определенного момента. Возникновение конфликтов приводило к резкому снижению производительности (измеряемой обычно в байтах в секунду), потому что узлы часто простаивали в ожидании ответов на команды, никогда не достигающие пункта назначения. Перегрузка сети, увеличение количества узлов напрямую связаны с ростом числа конфликтов и, следовательно, со снижением производительности сети.

Проектировщики ранних сетей быстро нашли решение этой проблемы: каждый узел должен устанавливать факт потери переданного пакета путем обнаружения конфликта (а не ожидать реакции, которая никогда не последует). Это означает, что потерянные в связи с конфликтом пакеты должны быть немедленно переданы вновь до окончания времени тайм-аута. Если узел передал последний бит пакета без возникновения конфликта, значит, пакет передан успешно.

Метод контроля несущей хорошо сочетать с функцией обнаружения коллизий. Коллизии все еще продолжают происходить, но на производительности сети это не отражается, так как узлы быстро избавляются от них. Группа DIX, разработав правила доступа к среде CSMA/CD для Ethernet, оформила их в виде простого алгоритма - рисунок 3.

Рисунок 3. Алгоритм работы CSMA/CD

Устройство физического уровня ( PHY)

Поскольку Fast Ethernet может использовать различный тип кабеля, то для каждой среды требуется уникальное предварительное преобразование сигнала. Преобразование также требуется для эффективной передачи данных: сделать передаваемый код устойчивым к помехам, возможным потерям, либо искажениям отдельных его элементов (бодов), для обеспечения эффективной синхронизации тактовых генераторов на передающей или приемной стороне.

Подуровень кодирования ( PCS)

Кодирует/декодирует данные поступающие от/к уровня MAC с использованием алгоритмов или .

Подуровни физического присоединения и зависимости от физической среды ( PMА и PMD)

Подуровни РМА и PMD осуществляют связь между подуровнем PSC и интерфейсом MDI, обеспечивая формирование в соответствии с методом физического кодирования: или .

Подуровень автопереговоров (AUTONEG)

Подуровень автопереговоров позволяет двум взаимодействующим портам автоматически выбирать наиболее эффективный режим работы: дуплексный или полудуплексный 10 или 100 Мб/с. Физический уровень

Стандарт Fast Ethernet определяет три типа среды передачи сигналов Ethernet со скоростью 100 Мбит/с.

• 100Base-TX - две витые пары проводов. Передача осуществляется в соответствии со стандартом передачи данных в витой физической среде, разработанным ANSI (American National Standards Institute - Американский национальный институт стандартов). Витой кабель для передачи данных может быть экранированным, либо неэкранированным. Использует алгоритм кодирования данных 4В/5В и метод физического кодирования MLT-3.
• 100Base-FX - две жилы, волоконно-оптического кабеля. Передача также осуществляется в соответствии со стандартом передачи данных в волоконно-оптической среде, которой разработан ANSI. Использует алгоритм кодирования данных 4В/5В и метод физического кодирования NRZI.

Спецификации 100Base-TX и 100Base-FX известны также как 100Base-X

• 100Base-T4 - это особая спецификация, разработанная комитетом IEEE 802.3u . Согласно этой спецификации, передача данных осуществляется по четырем витым парам телефонного кабеля, который называют кабелем UTP категории 3. Использует алгоритм кодирования данных 8В/6Т и метод физического кодирования NRZI.

Дополнительно стандарт Fast Ethernet включает рекомендации по использованию кабеля экранированной витой пары категории 1, который является стандартным кабелем, традиционно использующимся в сетях Token Ring. Организация поддержки и рекомендации по использованию кабеля STP в сети Fast Ethernet предоставляют способ перехода на Fast Ethernet для покупателей, имеющих кабельную разводку STP.

Спецификация Fast Ethernet включает также механизм автосогласования, позволяющий порту узла автоматически настраиваться на скорость передачи данных - 10 или 100 Мбит/с. Этот механизм основан на обмене рядом пакетов с портом концентратора или переключателя.

Среда 100Base-TX

В качестве среды передачи 100Base-TX применяются две витые пары, причем одна пара используется для передачи данных, а вторая - для их приема. Поскольку спецификация ANSI TP - PMD содержит описания как экранированных, так и неэкранированных витых пар, то спецификация 100Base-TX включает поддержку как неэкранированных, так и экранированных витых пар типа 1 и 7.

Разъем MDI (Medium Dependent Interface)

Интерфейс канала 100Base-TX, зависящий от среды, может быть одного из двух типов. Для кабеля на неэкранированных витых парах в качестве разъема MDI следует использовать восьмиконтактный разъем RJ 45 категории 5. Этот же разъем применяется и в сети 10Base-T, что обеспечивает обратную совместимость с существующими кабельными разводками категории 5. Для экранированных витых пар в качестве разъема MDI необходимо использовать разъем STP IBM типа 1, который является экранированным разъемом DB9. Такой разъем обычно применяется в сетях Token Ring.

Кабель UTP категории 5(e)

В интерфейсе среды UTP 100Base-TX применяются две пары проводов. Для минимизации перекрестных наводок и возможного искажения сигнала оставшиеся четыре провода не должны использоваться с целью передачи каких-либо сигналов. Сигналы передачи и приема для каждой пары являются поляризованными, причем один провод передает положительный (+), а второй - отрицательный (-) сигнал. Цветовая маркировка проводов кабеля и номера контактов разъема для сети 100Base-TX приведены в табл. 1. Хотя уровень PHY 100Base-TX разрабатывался после принятия стандарта ANSI TP-PMD, однако номера контактов разъема RJ 45 были изменены для согласования со схемой разводки, уже использующейся в стандарте 10Base-T. В стандарте ANSI TP-PMD контакты 7 и 9 применяются для приема данных, в то время как в стандартах 100Base-TX и 10Base-T для этого предназначены контакты 3 и 6. Такая разводка обеспечивает возможность использования адаптеров 100Base-TX вместо адаптеров 10 Base - T и их подключения к тем же кабелям категории 5 без изменений разводки. В разъеме RJ 45 используемые пары проводов подключаются к контактам 1, 2 и 3, 6. Для правильного подключения проводов следует руководствоваться их цветовой маркировкой.

Таблица 1. Назначение контактов разъема MDI кабеля UTP 100Base-TX

Узлы взаимодействуют друг с другом путем обмена кадрами (frames). В Fast Ethernet кадр является базовой единицей обмена по сети - любая информация, передаваемая между узлами, помещается в поле данных одного или нескольких кадров. Пересылка кадров от одного узла к другому возможна лишь при наличии способа однозначной идентификации всех узлов сети. Поэтому каждый узел в ЛВС имеет адрес, который называется его МАС-адресом. Этот адрес уникален: никакие два узла локальной сети не могут иметь один и тот же МАС-адрес. Более того, ни в одной из технологий ЛВС (за исключением ARCNet) никакие два узла в мире не могут иметь одинаковый МАС-адрес. Любой кадр содержит, по крайней мере, три основные порции информации: адрес получателя, адрес отправителя и данные. Некоторые кадры имеют и другие поля, но обязательными являются лишь три перечисленные. На рисунке 4 отражена структура кадра Fast Ethernet.

Рисунок 4. Структура кадра Fast Ethernet

• адрес получателя - указывается адрес узла, получающего данные;
• адрес отправителя - указывается адрес узла, пославшего данные;
• длина/Тип (L/T - Length/Type) - содержится информация о типе передаваемых данных;
• контрольная сумма кадра (PCS - Frame Check Sequence) - предназначена для проверки корректности полученного принимающим узлом кадра.

Минимальный объем кадра составляет 64 октета, или 512 битов (термины октет и байт - синонимы). Максимальный объем кадра равен 1518 октетам, или 12144 битам.

Адресация кадров

Каждый узел в сети Fast Ethernet имеет уникальный номер, который называется МАС-адресом (MAC address) или адресом узла. Этот номер состоит из 48 битов (6 байтов), присваивается сетевому интерфейсу во время изготовления устройства и программируется в процессе инициализации. Поэтому сетевые интерфейсы всех ЛВС, за исключением ARCNet, которая использует 8-битовые адреса, присваиваемые сетевым администратором, имеют встроенный уникальный МАС-адрес, отличающийся от всех остальных МАС-адресов на Земле и присваиваемый производителем по согласованию с IEEE.

Чтобы облегчить процесс управления сетевыми интерфейсами, IEEE было предложено разделить 48-битовое поле адреса на четыре части, как показано на рисунке 5. Первые два бита адреса (биты 0 и 1) являются флажками типа адреса. Значение флажков определяет способ интерпретации адресной части (биты 2 - 47).

Рисунок 5. Формат МАС-адреса

Бит I/G называется флажком индивидуального/группового адреса и показывает, каким (индивидуальным или групповым) является адрес. Индивидуальный адрес присваивается только одному интерфейсу (или узлу) в сети. Адреса, у которых бит I/G установлен в 0 - это МАС-адреса или адреса узла. Если бит I/O установлен в 1, то адрес относится к групповым и обычно называется многопунктовым адресом (multicast address) или функциональным адресом (functional address). Групповой адрес может быть присвоен одному или нескольким сетевым интерфейсам ЛВС. Кадры, посланные по групповому адресу, получают или копируют все обладающие им сетевые интерфейсы ЛВС. Многопунктовые адреса позволяют послать кадр подмножеству узлов локальной сети. Если бит I/O установлен в 1, то биты от 46 до 0 трактуются как многопунктовый адрес, а не как поля U/ L, OUI и OUA обычного адреса. Бит U/L называется флажком универсального/местного управления и определяет, как был присвоен адрес сетевому интерфейсу. Если оба бита, I/O и U/ L, установлены в 0, то адрес является уникальным 48-битовым идентификатором, описанным ранее.

OUI (organizationally unique identifier - организационно уникальный идентификатор). IEEE присваивает один или несколько OUI каждому производителю сетевых адаптеров и интерфейсов. Каждый производитель отвечает за правильность присвоения OUA (organizationally unique address - организационно уникальный адрес), который должно иметь любое созданное им устройство.

При установке бита U/L адрес является локально управляемым. Это означает, что он задается не производителем сетевого интерфейса. Любая организация может создать свой МАС-адрес сетевого интерфейса путем установки бита U/ L в 1, а битов со 2-го по 47-й в какое-нибудь выбранное значение. Сетевой интерфейс, получив кадр, первым делом декодирует адрес получателя. При установлении в адресе бита I/O уровень MAC получит этот кадр лишь в том случае, если адрес получателя находится в списке, который хранится на узле. Этот прием позволяет одному узлу отправить кадр многим узлам.

Существует специальный многопунктовый адрес, называемый широковещательным адресом. В 48-битовом широковещательном IEEE-адресе все биты установлены в 1. Если кадр передается с широковещательным адресом получателя, то все узлы сети получат и обработают его.

Поле Длина/Тип

Поле L/T (Length/Type - Длина/Тип) применяется в двух различных целях:

• для определения длины поля данных кадра, исключая любое дополнение пробелами;
• для обозначения типа данных в поле данных.

Значение поля L/T, находящееся в интервале между 0 и 1500, является длиной поля данных кадра; более высокое значение указывает на тип протокола.

Вообще поле L/T является историческим осадком стандартизации Ethernet в IEEE, породившим ряд проблем с совместимостью оборудования выпущенного до 1983. Сейчас Ethernet и Fast Ethernet никогда не использует поля L/T. Указанное поле служит лишь для согласования с программным обеспечением, обрабатывающим кадры (то есть с протоколами). Но единственным подлинно стандартным предназначением поля L/T является использование его в качестве поля длины - в спецификации 802.3 даже не упоминается о возможном его применении как поля типа данных. Стандарт гласит: "Кадры со значением поля длины, превышающим определенное в пункте 4.4.2, могут быть проигнорированы, отброшены или использованы частным образом. Использование данных кадров выходит за пределы этого стандарта".

Подводя итог сказанному, заметим, что поле L/T является первичным механизмом, по которому определяется тип кадра. Кадры Fast Ethernet и Ethernet, в которых значением поля L/T задается длина (значение L/T 802.3, кадры, в которых значением этого же поля устанавливается тип данных (значение L/T > 1500), называются кадрами Ethernet - II или DIX .

Поле данных

В поле данных содержится информация, которую один узел пересылает другому. В отличие от других полей, хранящих весьма специфические сведения, поле данных может содержать почти любую информацию, лишь бы ее объем составлял не менее 46 и не более 1500 байтов. Как форматируется и интерпретируется содержимое поля данных, определяют протоколы.

Если необходимо переслать данные длиной менее 46 байтов, уровень LLC добавляет в их конец байты с неизвестным значением, называемые незначащими данными (pad data). В результате длина поля становится равной 46 байтам.

Если кадр имеет тип 802.3, то в поле L/T указывается значение объема действительных данных. Например, если пересылается 12-байтовое сообщение, то поле L/T хранит значение 12, а в поле данных находятся и 34 добавочных незначащих байта. Добавление незначащих байтов инициирует уровень LLC Fast Ethernet, и обычно реализуется аппаратно.

Средства уровня MAC не задают содержимое поля L/T - это делает программное обеспечение. Установка значения этого поля почти всегда производится драйвером сетевого интерфейса.

Контрольная сумма кадра

Контрольная сумма кадра (PCS - Frame Check Sequence) позволяет убедиться в том, что полученные кадры не повреждены. При формировании передаваемого кадра на уровне MAC используется специальная математическая формула CRC (Cyclic Redundancy Check - циклический избыточный код), предназначенная для вычисления 32-разрядного значения. Полученное значение помещается в поле FCS кадра. На вход элемента уровня MAC, вычисляющего CRC, подаются значения всех байтов кадра. Поле FCS является первичным и наиболее важным механизмом обнаружения и исправления ошибок в Fast Ethernet. Начиная с первого байта адреса получателя и заканчивая последним байтом поля данных.

Значения полей DSAP и SSAP

Значения DSAP/SSAP			Описание
			Indiv LLC Sublayer Mgt
			Group LLC Sublayer Mgt
			SNA Path Control
			Reserved (DOD IP)
			ISO CLNS IS 8473
			Алгоритм кодирования 8В6Т преобразует восьмибитовый октет данных (8B) в шестибитовый тернарный символ (6T). Кодовые группы 6Т предназначены для передачи параллельно по трем витым парам кабеля, поэтому эффективная скорость передачи данных по каждой витой паре составляет одну треть от 100 Мбит/с, то есть 33,33 Мбит/с. Скорость передачи тернарных символов по каждой витой паре составляет 6/8 от 33,3 Мбит/с, что соответствует тактовой частоте 25 МГц. Именно с такой частотой работает таймер интерфейса МП. В отличие от бинарных сигналов, которые имеют два уровня, тернарные сигналы, передаваемые по каждой паре, могут иметь три уровня. Таблица кодировки символов Линейный код Символ MLT-3 Multi Level Transmission - 3 (многоуровневая передача) - немного схож с кодом NRZ, но в отличии от последнего имеет три уровня сигнала. Единице соответствует переход с одного уровня сигнала на другой, причем изменение уровня сигнала происходит последовательно с учетом предыдущего перехода. При передаче “нуля” сигнал не меняется. Этот код, так же как и NRZ нуждается в предварительном кодировании. Составлено по материалам: Лаем Куин, Ричард Рассел "Fast Ethernet"; К. Заклер "Компьютерные сети"; В.Г. и Н.А. Олифер "Компьютерные сети";

Отметим главные особенности развития сетей Ethernet и переход к сетям Fast Ethernet (стандарт IEEE 802.3u ):

• - десятикратное увеличение пропускной способности;
• - сохранение метода случайного доступа CSMA/CD;
• - сохранение формата кадра;
• - поддержка традиционных сред передачи данных.

Указанные свойства, а также, поддержка двух скоростей и автоопределения 10/100 Мбит/с, встраиваемая в сетевые карты и коммутаторы Fast Ethernet, позволяют осуществлять плавный переход от сетей Ethernet к более скоростным сетям Fast Ethernet, обеспечивая выгодную преемственность по сравнению с другими технологиями. Еще один дополнительный фактор успешного завоевания рынка - низкая стоимость оборудования Fast Ethernet.

Архитектура стандарта Fast Ethernet

Структура уровней Fast Ethernet (включая MII интерфейс и трансивер Fast Ethernet) изображена на рис. 13. Еще на стадии разработки стандарта 100Base-T комитет IEEE 802.3u определил, что не существует универсальной схемы кодирования сигнала, которая была бы идеальной для всех трех физических интерфейсов (ТХ, FX, T4). Если сравнивать со стандартом Ethernet, то там функцию кодирования (манчестерский код) выполняет уровень физической сигнализации PLS (рис. 5), который находится выше средонезависимого интерфейса AUI. В стандарте Fast Ethernet функции кодирования выполняет подуровень кодирования PCS, размещенный ниже средонезависимого интерфейса МII. В результате этого, каждый трансивер должен использовать свой собственный набор схем кодирования, наилучшим образом подходящий для соответствующего физического интерфейса, например набор 4В/5В и NRZI для интерфейса 100Base-FX.

МII интерфейс и трансиверы Fast Ethernet. Интерфейс MII (medium independent interface) в стандарте Fast Ethernet является аналогом интерфейса AUI в стандарте Ethernet. MII интерфейс обеспечивает связь между подуровнями согласования и физического кодирования. Основное его назначение - упростить использование разных типов среды. МII интерфейс предполагает дальнейшее подключение трансивера Fast Ethernet. Для связи используется 40-контактный разъем. Максимальное расстояние по МII интерфейсному кабелю не должно превышать 0,5 м.

Если устройство имеет стандартные физические интерфейсы (например, RJ-45), то структура подуровней физического уровня может быть скрыта внутри микросхемы с большой интеграцией логики. Кроме того, допустимы отклонения в протоколах промежуточных подуровней в едином устройстве, ставящие главной целью рост быстродействия.

Физические интерфейсы Fast Ethernet

Стандартом Fast Ethernet IEEE 802.3u установлены три типа физического интерфейса (рис. 14, табл. 6 Основные характеристики физических интерфейсов стандарта Fast Ethernet IEEE 802.3u ): 100Base-FX, 100Base-TX и 100Base-T4.

100Base-FX. Стандарт этого волоконно-оптического интерфейса полностью идентичен стандарту FDDI PMD. Основным оптическим разъемом стандарта 100Base-FX является Duplex SC. Интерфейс допускает дуплексный канал связи.

• * - расстояние достигается лишь в при дуплексном режиме связи.
• 100Base-TX. Стандарт этого физического интерфейса предполагает использование неэкранированной витой пары категории не ниже 5. Он полностью идентичен стандарту FDDI UTP PMD. Физический порт RJ-45, как и в стандарте 10Base-T, может быть двух типов: MDI (сетевые карты, рабочие станции) и MDI-X (повторители Fast Ethernet, коммутаторы). Порт MDI в единичном количестве может иметься на повторителе Fast Ethernet.

Для передачи по медному кабелю используются пары 1 и 3. Пары 2 и 4 - свободны. Порт RJ-45 на сетевой карте и на коммутаторе может поддерживать, наряду с режимом 100Base-TX, и режим 10Base-T, или функцию автоопределения скорости. Большинство современных сетевых карт и коммутаторов поддерживают эту функцию по портам RJ-45 и, кроме этого, могут работать в дуплексном режиме.

100Base-T4. Этот тип интерфейса позволяет обеспечить полудуплексный канал связи по витой паре UTP сat. 3 и выше. Именно возможность перехода предприятия со стандарта Ethernet на стандарт Fast Ethernet без радикальной замены существующей кабельной системы на основе UTP сat.3 следует считать главным преимуществом этого стандарта.

В отличие от стандарта 100Base-TX, где для передачи используется только две витых пары кабеля, в стандарте 100Base-T4 используются все четыре пары. Причем при связи рабочей станции и повторителя посредством прямого кабеля данные от рабочей станции к повторителю идут по витым парам 1, 3 и 4, а в обратном направлении - по парам 2, 3 и 4, Пары 1 и 2 используются для обнаружения коллизий подобно стандарту Ethernet. Другие две пары 3 и 4 попеременно, в зависимости от команд, могут пропускать сигнал либо в одном, либо в другом направлении. Передача сигнала параллельно по трем витым парам эквивалентна инверсному мультиплексированию, рассмотренному в главе 5. Битовая скорость в расчете на один канал составляет 33,33 Мбит/с.

Символьное кодирование 8В/6Т . Если бы использовалось манчестерское кодирование, то битовая скорость в расчете на одну витую пару была бы 33,33 Мбит/с, что превышало бы установленный предел 30 МГц для таких кабелей. Эффективное уменьшение частоты модуляции достигается, если вместо прямого (двухуровневого) бинарного кода использовать трехуровневый (ternary) код. Этот код известен как 8В/6Т ; это означает, что прежде, чем происходит передача, каждый набор из 8 бинарных битов (символ) сначала преобразуется в соответствии с определенными правилами в 6 тройных (трехуровневых) символов.

Интерфейс 100Base-T4 имеет один существенный недостаток - принципиальную невозможность поддержки дуплексного режима передачи. И если при строительстве небольших сетей Fast Ethernet с использованием повторителей 100Base-TX не имеет преимуществ перед 100Base-T4 (существует коллизионный домен, полоса пропускания которого не больше 100 Мбит/с), то при строительстве сетей с использованием коммутаторов недостаток интерфейса 100Вазе-Т4 становится очевидным и очень серьезным. Поэтому данный интерфейс не получил столь большого распространения, как 100Base-TX и 100Base-FX.

Типы устройств Fast Ethernet

Основные категории устройств, применяемых в Fast Ethernet, такие же как и в Ethernet: трансиверы; конвертеры; сетевые карты (для установки на рабочие станции/файл серверы); повторители; коммутаторы.

Трансивер - двухпортовое устройство, охватывающее подуровни PCS, РМА, PMD и AUTONEG, и имеющее, с одной стороны, МII интерфейс, с другой - один из средозависимых физических интерфейсов (100Base-FX, 100Base-TX или 100Base-T4). Трансиверы используются сравнительно редко, как и редко используются сетевые карты, повторители, коммутаторы с интерфейсом МII.

Сетевая карта. Наиболее широкое распространение получили сегодня сетевые карты с интерфейсом 100Base-TX на шину PCI. Необязательными, но крайне желательными, функциями порта RJ-45 являются автоконфигурирование 100/10 Мбит/с и поддержка дуплексного режима. Большинство современных выпускаемых карт поддерживают эти функции. Выпускаются также сетевые карты с оптическим интерфейсом 100Base-FX (производители IMC, Adaptec, Transition Networks и др.) - основным стандартным оптическим является разъем SC (допускается ST) на многомодовое ОВ.

Конвертер (media converter) - двухпортовое устройство, оба порта которого представляют средозависимые интерфейсы. Конвертеры, в отличие от повторителей, могут работать в дуплексном режиме за исключение случая, когда имеется порт 100Base-T4. Распространены конвертеры 100Base-TX/100Base-FX. В силу общих тенденций роста широкополосных протяженных сетей с использованием одномодовых ВОК потребление оптических приемопередатчиков на одномодовое ОВ резко возросло в последние десятилетие. Конвертерные шасси, объединяющие несколько отдельных модулей 100Base-TX/100Base-FX, позволяют подключать множество сходящихся в центральном узле волоконно-оптических сегментов к коммутатору, оснащенному дуплексными портами RJ-45 (100Base-TX).

Повторитель. По параметру максимальных временных задержек при ретрансляции кадров повторители Fast Ethernet подразделяются на два класса:

• - Класс I. Задержка на двойном пробеге RTD не должна превышать 130 ВТ. В силу менее жестких требований, повторители этого класса могут иметь порты Т4 и TX/FX, а также объединяться в стек.
• - Класс II. К повторителям этого класса предъявляются более жесткие требования по задержке на двойном пробеге: RTD

Коммутатор - важное устройство корпоративных сетей. Большинство современных коммутаторов Fast Ethernet поддерживают автоконфигурирование 100/10 Мбит/с по портам RJ-45 и могут обеспечивать дуплексный канал связи по всем портам (за исключением 100Base-T4). Коммутаторы могут иметь специальные дополнительные слоты для установления up-link модуля. В качестве интерфейсов у таких модулей могут выступать оптические порты типа Fast Ethernet 100Base-FX, FDDI, ATM (155 Мбит/с), Gigabit Ethernet и др.

Крупными производителями коммутаторов Fast Ethernet являются компании: 3Com, Bay Networks, Cabletron, DEC, Intel, NBase, Cisco и др.

Цели работы

Цель данной работы - изучение принципов технологий Ethernet и Fast Ethernet и практическое освоение методик оценки работоспособности сети,В построенной на базе технологии Fast Ethernet.

Теоретические сведения

Технология Ethernet. Спецификация сети Ethernet была предложена фирмами DEC, Intel и Xerox (DIX) в 1980 г., и несколько позже па ееВ основе появился стандарт IEEE 802.3.

Первые версии Ethernet vl.O и Ethernet v2.0 в качестве среды передачи использовали только коаксиальный кабель. Стандарт IEEE 802.3 позволяетВ в качестве среды передачи использовать также витую пару и оптоволокно.В В 1995 г. был принят стандарт IEEE 802.3u (Fast Ethernet) со скоростьюВ 100 Мбит/с, а в 1997 г. - IEEE 802.3z (Gigabit Ethernet - 1000 Мбит/с).В Осенью 1999 г. принят стандарт IEEE 802.3ab - Gigabit Ethernet на витойВ паре категории 5.

В обозначениях Ethernet (10BASE2, 100BASE-TX и др.) первый элемент обозначает скорость передачи данных в Мбит/с; второй элемент BASEВ означает, что используется прямая (немодулированная) передача; третийВ элемент обозначает округленное значение длины кабеля в сотнях метровВ (10BASE2 - 185 м, 10BASE5 - 500 м) или тип среды передачи (T, ТХ, Т2,В Т4 - витая пара; FX, FL, FB, SX и LX - оптоволокно; СХ - твинаксиаль-ный кабель для Gigabit Ethernet).

В основе Ethernet лежит метод множественного доступа к среде передачи с прослушиванием несущей и обнаружением коллизий - CSMA/CD

• (Carrier Sense with Multiple Access and Collision Detection ), реализуемый адаптерами каждого узла сети на аппаратном или микропрограммном уровне:
• все адаптеры имеют устройство доступа к среде (MAU) - трансивер,В подключенный к общей (разделяемой) среде передачи данных;
• каждый адаптер узла перед передачей информации прослушиваетВ линию до момента отсутствия сигнала (несущей);
• затем адаптер формирует кадр (frame), начинающийся с синхронизирующей преамбулы, за которой следует поток двоичных данных в само-синхронизирующемся (манчестерском) коде;
• другие узлы принимают посланный сигнал, синхронизируютсяВ по преамбуле и декодируют его в последовательность бит;
• окончание передачи кадра определяется обнаружением приемникомВ отсутствия несущей;
• в случае обнаружения коллизии (столкновения двух сигналов от разных узлов) передающие узлы прекращают передачу кадра, после чегоВ через случайный промежуток времени (каждый через свой) осуществляютВ повторную попытку передачи после освобождения линии; при очереднойВ неудаче делается следующая попытка (и так до 16 раз), причем интервалВ задержки увеличивается;
• коллизия обнаруживается приемником по нестандартной длинеВ кадра, которая не может быть меньше 64 байт, не считая преамбулы;
• между кадрами должен обеспечиваться временной зазор (межкадровый или межпакетный промежуток, IPG - inter-packet gap) длительностьюВ 9,6 мкс - узел не имеет права начать передачу раньше, чем через интервалВ IPG, после определения момента пропадания несущей.

Определение 1. Домен коллизий - группа узлов, связанных общей средой (кабелями и повторителями) передачи.

Протяженность домена коллизий ограничивается временем распространения сигнала между наиболее удаленными друг от друга узлами.

Определение 2. Диаметр домена коллизий - расстояние между двумя наиболее удаленными друг от друга оконечными устройствами.

Определение 3. Битовый интервал - время, необходимое для передачи одного бита.

Битовый интервал в Ethernet (при скорости 10 Мбит/с) составляет 0,1 мкс.

Технология Fast Ethernet. В технологии Fast Ethernet величина битового интервала составляет 0,01 мкс, что дает десятикратное увеличение скорости передачи данных. При этом формат кадра, объем переносимыхВ кадром данных и механизм доступа к каналу передачи данных остались безВ изменения по сравнению с Ethernet.

В Fast Ethernet используется среда передачи данных для работы на скорости 100 Мбит/с, которая в спецификации IEEE 802.3u имеет обозначения «100BASE-T4» и «100BASE-TX» (витая пара); «100BASE-FX» и «100BASE-SX» (оптоволокно).

Правила построения сети

Первая модель сети Fast Ethernet. Модель представляет собой, по сути, набор правил построения сети (табл. Л.1):

• - длина каждого сегмента витой пары должна быть меньше 100 м;
• - длина каждого оптоволоконного сегмента должна быть меньше 412 м;
• - если используются кабели МП (Media Independent Interface), то каждый из них должен быть меньше 0,5 м;
• - задержки, вносимые кабелем МП, не учитываются при оценке временных параметров сети, так как они являются составной частью задержек,В вносимых оконечными устройствами (терминалами) и повторителями.

Таблица Л. 1

Предельно допустимый диаметр домена коллизий в Fast Ethernet

Стандартом определены два класса повторителей:

• повторители класса I выполняют преобразование входных сигналовВ в цифровой вид, а при передаче снова перекодируют цифровые данныеВ в физические сигналы; преобразование сигналов в повторителе требуетВ некоторого времени, поэтому в домене коллизий допускается только одинВ повторитель класса I;
• повторители класса II немедленно передают полученные сигналы безВ всякого преобразования, поэтому к ним можно подключать только сегменты,В использующие одинаковые способы кодирования данных; можно использовать не более двух повторителей класса II в одном домене коллизий.

Вторая модель сети Fast Ethernet. Вторая модель содержит последовательность расчетов временных параметров сети при полудуплексном режиме обмена данными. Диаметр домена коллизий и количество сегментов в нем ограничены временем двойного оборота, необходимымВ для правильной работы механизма обнаружения и разрешения коллизийВ (табл. Л.2).

Таблица Л2

Временные задержки компонентов сети Fast Ethernet

Время двойного оборота рассчитывается для наихудшего (в смысле рае-пространения сигнала) пути между двумя узлами домена коллизий. Расчет выполняется путем суммирования временных задержек в сегментах, повторителях и терминалах.

Для вычисления времени двойного оборота нужно умножить длину сегмента на величину удельного времени двойного оборота соответствующего сегмента. Определив времена двойного оборота для всех сегментов наихудшего пути, к ним нужно прибавить задержку, вносимую парой оконечныхВ узлов и повторителями. Для учета непредвиденных задержек к полученному результату рекомендуется добавить еще 4 битовых интервала (би)В и сравнить результат с числом 512. Если полученный результат не превышает 512 би, то сеть считается работоспособной.

Пример расчета конфигурации сети Fast Ethernet. На рис. Л.28 приведен пример одной из предельно допустимых конфигураций сети Fast Ethernet.

Рис. Л.28. Пример допустимой конфигурации сети Fast Ethernet

Диаметр домена коллизий вычисляется как сумма длин сегментов А (100 м), В (5 м) и С (100 м) и равен 205 м. Длина сегмента, соединяющегоВ повторители, может быть более 5 м, если при этом диаметр домена коллизий не превышает допустимый для данной конфигурации предел. Коммутатор (switching hub), входящий в состав сети (см. рис. Л.28), считаетсяВ оконечным устройством, так как коллизии через него не распространяются.В Поэтому 2-километровый сегмент оптоволоконного кабеля, соединяющийВ этот коммутатор с маршрутизатором (router), не учитывается при расчетеВ диаметра домена коллизий сети Fast Ethernet. Сеть удовлетворяет правилам первой модели.

Проверим теперь ее по второй модели. Наихудшие пути в домене коллизий: от DTE1 к DTE2 и от DTE1 к коммутатору (switching hub). Оба пути состоят из трех сегментов на витой паре, соединенных двумя повторителями класса II. Два сегмента имеют предельно допустимую длину 100 м.В Длина сегмента, соединяющего повторители, равна 5 м.

Предположим, что все три рассматриваемых сегмента являются сегментами 100BASE-TX и в них используется витая пара категории 5. В табл. Л.З приведены величины времени двойного оборота для рассматриваемыхВ путей (см. рис. Л.28). Сложив числа из второго столбца этой таблицы, получим 511,96 би - это и будет время двойного оборота для наихудшего пути.

Таблица Л.З

Время двойного оборота сети Fast Ethernet

Следует заметить, что в данном случае нет страхового запаса в 4 би, так как в этом примере используются наихудшие значения задержекВ (см. табл. Л.2). Реальные временные характеристики компонентов FastВ Ethernet могут отличаться в лучшую сторону.

Задание для выполнения

Требуется оценить работоспособность 100-мегабитной сети Fast Ethernet в соответствии с первой и второй моделями. Конфигурации сетиВ приведены в табл. Л.4. Топология сети представлена на рис. Л.29-Л.ЗО.

Таблица Л.4

Варианты заданий

	Сегмент 1	Сегмент 2	Сегмент 3	Сегмент 4	Сегмент 5	Сегмент 6
	100BASETX, 100 м	100BASETX, 95 м	100BASETX, 80 м		100BASETX, 100 м	100BASETX, 100 м

	Сегмент 1	Сегмент 2	Сегмент 3	Сегмент 4	Сегмент 5	Сегмент 6
	ЮОВАБЕ-ТХ, 15 м	ЮОВАБЕ-ТХ, 5 м	ЮОВАЭЕ-ТХ, 5 м	100В АБЕ-ЕХ, 400 м	ЮОВАБЕ-ТХ, 10 м	ЮОВАБЕ-ТХ, 4 м
	ЮОВАБЕ-ТХ, 60 м	ЮОВАБЕ-ТХ, 95 м	ЮОВАБЕ-ТХ, 10 м	ЮОВАБЕ-ТХ, 10 м	ЮОВАБЕ-ТХ, 90 м	ЮОВАБЕ-ТХ, 95 м

Рис. Л.29. Топология сети 1

Рис. Л.30. Топология сети 2

Введение

Целью создания данного доклада являлось краткое и доступное изложение основных принципов работы и особенности компьютерных сетей, на примере Fast Ethernet.

Сетью называется группа соединенных компьютеров и других устройств. Основное назначение компьютерных сетей - совместное использование ресурсов и осуществление интерактивной связи как внутри одной фирмы, так и за ее пределами. Ресурсы - это данные, приложения и периферийные устройства, такие, как внешний дисковод, принтер, мышь, модем или джойстик. Понятие интерактивной связи компьютеров подразумевает обмен сообщениями в реальном режиме времени.

Существует множество наборов стандартов передачи данных в компьютерных сетях. Одним из наборов является стандарт Fast Ethernet.

Из данного материала вы узнаете о:

• · Технологии Fast Ethernet
• · Коммутаторах
• · FTP кабеле
• · Типы соединений
• · Топологиях компьютерной сети

В своей работе, я покажу принципы работы сети, основанной на стандарте Fast Ethernet.

Коммутация локальных вычислительных сетей (ЛВС) и технологии Fast Ethernet были разработаны в ответ на потребность в повышении эффективности функционирования сетей Ethernet. Путем повышения пропускной способности эти технологии могут устранять «узкие места» в сети и поддерживать приложения, требующие большой скорости передачи данных. Привлекательность этих решений состоит в том, что вам не нужно выбирать то или другое. Они являются взаимодополняющими, так что эффективность функционирования сети чаще всего можно повысить путем использования обеих технологий.

Собранная информация будет полезен, как лицам, начинающим изучать компьютерные сети, так и сетевым администраторам.

1. Схема сети

2. Технология Fast Ethernet

компьютерный сеть fast ethernet

Fast Ethernet - результат развития технологии Ethernet. Базируясь и сохраняя в неприкосновенности тот же метод CSMA/CD (коллективный доступ с опросом канала и обнаружением коллизий), устройства Fast Ethernet работают со скоростью, в 10 раз превышающей скорость Ethernet. 100 Мбит/с. Fast Ethernet обеспечивает достаточную пропускную способность для таких приложений как системы автоматизированного проектирования и производства (CAD/CAM), графика и обработка изображений, мультимедиа. Fast Ethernet совместим с 10 Мбит/с Ethernet, так что интеграцию Fast Ethernet в вашу ЛВС удобнее осуществить с помощью коммутатора, а не маршрутизатора.

Switch(коммутатор)

С помощью коммутаторов многие рабочие группы могут быть соединены между собой для формирования большой ЛВС (см. схему 1). Недорогие коммутаторы работают лучше, чем маршрутизаторы, обеспечивая более высокую эффективность функционирования ЛВС. Рабочие группы Fast Ethernet, включающие в себя один или два концентратора, могут соединяться через коммутатор Fast Ethernet с целью дальнейшего увеличения числа пользователей, а также охвата более обширной площади.

Как пример, рассмотрим следующий коммутатор:

Рис. 1 D-Link-1228/ME

Серия коммутаторов DES-1228/ME включает в себя настраиваемые коммутаторы Fast Ethernet уровня 2 «premium» класса. Обладая расширенным функционалом, устройства DES-1228/ME являются недорогим решением по созданию безопасной и высокопроизводительной сети. Отличительными особенностями данного коммутатора являются высокая плотность портов, 4 гигабитных порта Uplink, небольшой шаг изменения настроек для управления полосой пропускания и улучшенное сетевое управление. Эти коммутаторы позволяют оптимизировать сеть как по функционалу, так и по стоимостным характеристикам. Коммутаторы серии DES-1228/ME являются оптимальным решением как по функционалу, так и по стоимостным характеристикам.

FTP кабель

Кабель LAN-5EFTP-BL состоит из 4-х пар одножильных медных проводников.

Диаметр проводника 24AWG.

Каждый проводник заключен в изоляцию HDPE (полиэтилен высокой плотности).

Два проводника, скрученных со специально подобранным шагом, составляют одну витую пару.

4 витых пары обернуты полиэтиленовой пленкой и вместе с медным одножильным заземляющим проводником заключены в общий экран из фольги и оболочку из ПВХ (PVC).

Прямой соединение (straight through)

Оно служит:

• 1. Для подключения компьютера к коммутатору (хабу, свитчу) через сетевую карту компьютера
• 2. Для подключения к коммутатору (хабу, свитчу) сетевого периферийного оборудования - принтеры, сканнеры
• 3. для UPLINK"а на выше стоящий коммутатор (хаб, свитч) - современные коммутаторы автоматически могут настраивать входы в разъеме на прием-передачу

Перекрестное соединение(crossover)

Оно служит:

• 1. Для прямого соединения 2-х компьютеров в локальную сеть, без использования коммутационного оборудования (хабы, свитчи, маршрутизаторы и прочее).
• 2. для uplink, подключения к выше стоящему коммутатору в сложной по структуре локальной сети, для старых типов коммутаторов (хабов, свитчей), у них есть отдельный разъем, так и помеченный «UPLINK» или знаком Х.

Топология звезда

Звездам - базовая топология компьютерной сети, в которой все компьютеры сети присоединены к центральному узлу (обычно коммутатор), образуя физический сегмент сети. Подобный сегмент сети может функционировать как отдельно, так и в составе сложной сетевой топологии (как правило, «дерево»). Весь обмен информацией идет исключительно через центральный компьютер, на который таким способом возлагается очень большая нагрузка, поэтому ничем другим, кроме сети, он заниматься не может. Как правило, именно центральный компьютер является самым мощным, и именно на него возлагаются все функции по управлению обменом. Никакие конфликты в сети с топологией звезда в принципе не возможны, потому что управление полностью централизовано.

Приложение

Классический 10-мегабитный Ethernet устраивал большинство пользователей на протяжении около 15 лет. Однако в начале 90-х годов начала ощущаться его 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», и 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 явно недостаточно. Поэтому многие сегменты 10-мегабитного 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 «нового» Ethernet, то есть технологии, 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 l00VG-AnyLAN. Они отличаются степенью преемственности с классическим 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 l00VG-AnyLAN, которая использует новый метод доступа Demand Priority и поддерживает кадры двух форматов - Ethernet и Token Ring.

v Физический уровень технологии Fast Ethernet

Все отличия технологии Fast Ethernet от Ethernet сосредоточены на физическом уровне (рис. 3.20). 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.

Отличия технологии Fast Ethernet от технологии Ethernet

Отказ от коаксиального кабеля привел к тому, что сети Fast Ethernet всегда имеют иерархическую древовидную структуру, построенную на концентраторах, как и сети l0Base-T/l0Base-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-мегабитным 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 технологий, но 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.

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:

Структура физического уровня Fast Ethernet

• · 100Base-TX для двухпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP категории 5 или экранированной витой паре STP Type 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 следующие утверждения и характеристики.

• · Форматы кадров технологии Fast Ethernetee отличаются от форматов кадров технологий 10-мегабитного Ethernet.
• · Межкадровый интервал (IPG) равен 0,96 мкс, а битовый интервал равен 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:
• o уровень согласования (reconciliation sublayer);
• o независимый от среды интерфейс (Media Independent Interface, Mil);
• o 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. 3.20):

• · подуровня логического кодирование 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 и Т4.

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

Физический уровень 100Base-FX - многомодовое оптоволокно, два волокна

Эта спецификация 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 х) и от передатчика (Т х).

Между спецификациями l00Base-FX и l00Base-TX есть много общего, поэтому общие для двух спецификаций свойства будут даваться под обобщенным названием l00Base-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 - 4В/5В. Этот метод уже показал свою эффективность в стандарте FDDI и без изменений перенесен в спецификацию l00Base-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 бит в виде электрических или оптических импульсов. Существование запрещенных комбинаций символов позволяет отбраковывать ошибочные символы, что повышает устойчивость работы сетей с l00Base-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.

Непрерывный поток данных спецификаций 100Base-FX/ТХ

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 l00Base-FX и l00Base-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 - витая пара DTP Cat 5 или STP Type 1, две пары

В качестве среды передачи данных спецификация l00Base-TX использует кабель UTP категории 5 или кабель STP Type 1. Максимальная длина кабеля в обоих случаях - 100 м.

Основные отличия от спецификации l00Base-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 Auto-negotiation сегодня является стандартом технологии l00Base-T. До этого производители применяли различные собственные схемы автоматического определения скорости работы взаимодействующих портов, которые не были совместимы. Принятую в качестве стандарта схему Auto-negotiation предложила первоначально компания National Semiconductor под названием NWay.

Всего в настоящее время определено 5 различных режимов работы, которые могут поддерживать устройства l00Base-TX или 100Base-T4 на витых парах;

• · l0Base-T - 2 пары категории 3;
• · l0Base-T full-duplex - 2 пары категории 3;
• · l00Base-TX - 2 пары категории 5 (или Type 1ASTP);
• · 100Base-T4 - 4 пары категории 3;
• · 100Base-TX full-duplex - 2 пары категории 5 (или Type 1A STP).

Режим l0Base-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 auto-negotiation, посылает своему партнеру пачку специальных импульсов Fast Link Pulse burst (FLP) , в котором содержится 8-битное слово, кодирующее предлагаемый режим взаимодействия, начиная с самого приоритетного, поддерживаемого данным узлом.

Если узел-партнер поддерживает функцию auto-negotuiation 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 l0Base-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 Auto-negotiation, и продолжает посылать свои импульсы. Узел, получивший в ответ на запрос FLP только импульсы проверки целостности линии, понимает, что его партнер может работать только по стандарту l0Base-T, и устанавливает этот режим работы и для себя.

Физический уровень 100Base-T4 - витая пара UTP Cat 3, четыре пары

Спецификация 100Base-T4 была разработана для того, чтобы можно было использовать для высокоскоростного Ethernet имеющуюся проводку на витой паре категории 3. Эта спецификация позволяет повысить общую пропускную способность за счет одновременной передачи потоков бит 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 l0Base-T и l0Base-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 l00VG-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 l00Base-TX и l00Base-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 нс. Группа из 6-ти троичных цифр затем передается на одну из трех передающих витых пар, независимо и последовательно.

Четвертая пара всегда используется для прослушивания несущей частоты в целях обнаружения коллизии. 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. 3.23 показано соединение порта MDI сетевого адаптера 100Base-T4 с портом MDI-X концентратора (приставка Х говорит о том, что у этого разъема присоединения приемника и передатчика меняются парами кабеля 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.

Соединение узлов по спецификации 100Base-T4