Сетевые топологии и технологии.

Технология Fast Ethernet 100Мбит/с

В 1995 году комитет IEEE 802.3 принял стандарт IEEE 802.3u (дополнительные главы к стандарту IEEE 802.3), описывающий 100-мегабитную технологию Fast Ethernet. Новый стандарт не затронул канальный уровень (подуровни MAC и LLC), соответственно полностью сохранился метод доступа CSMA/CD, форматы кадров и временные соотношения. Все отличия между Ethernet и Fast Ethernet сосредоточены на физическом уровне.

Поскольку одной из целей разработки было обеспечение максимальной преемственности и согласованности 10-мегабитных и 100-мегабитных сетей, было принято решение увеличить скорость за счет сокращения до 10 нс битового интервала (против 100 нс в Ethernet). При этом максимально допустимое время оборота сигнала составило 2,6 мкс, поэтому максимальный диаметр сегмента Fast Ethernet составляет 205 м.

Сети Fast Ethernet могут строиться на волоконно-оптическом (многомодовом) кабеле (два волокна), витой паре 5 категории (две пары) или витой паре 3 категории (четыре пары). Коаксиальный кабель не используется. Сеть всегда строится на концентраторах (или коммутаторах) и имеет иерархическую топологию. Без концентратора можно соединить (при помощи специального кросскабеля) только два узла.

Физический уровень делится на подуровень согласования (Reconciliation Sublayer) и устройство физического уровня (Physical Layer Device), связанные через интерфейс, независимый от среды передачи (Media Independent Interface, MII).

Уровень согласования необходим для того, чтобы канальный уровень (точнее, подуровень MAC), рассчитанный на интерфейс AUI, мог работать через интерфейс MII.

Устройство физического уровня выполняет логическое кодирование (4B/5B или 8B/6T), физическое кодирование (NRZI или MLT-3) и присоединение к среде передачи, а также автоматическое согласование режимов передачи (например, дуплексный или полудуплексный режим).

Версия физического уровня 100BaseFX определяет работу по многомодовому оптоволокну на длине волны 1300 нм. По одному волокну передаются данные от узла, по второму – к узлу. Из FDDI заимствован метод логического кодирования 4B/5B и метод физического кодирования NRZI. В полудуплексном режиме максимальное расстояние между узлами – 412 м, при полном дуплексе – 2 км (по одномодовому оптоволокну – до 32 км). 100BaseFX несовместим с 10BaseFL, поскольку использует другую длину волны.

Версия физического уровня 100BaseTX определяет работу по витой паре (UTP Cat 5 или STP Type 1). Используется две пары, назначение проводников (разводка по контактам разъемов) полностью совпадает с 10-мегабитным Ethernet. Максимальная длина сегмента – 100 м. Логическое кодирование – 4B/5B, физическое кодирование – MLT-3.

Версия физического уровня 100BaseT4 определяет работу по более распространенной и дешевой витой паре (UTP Cat 3). Используется четыре пары: по трем парам передаются данные, четвертая используется для прослушивания несущей частоты и обнаружения коллизий. Логическое кодирование – 8B/6T, которое обладает более узким спектром сигнала и при скорости 33,3 Мбит/c укладывается в полосу 16МГц (витая пара, 3 категория). Поскольку передача идет одновременно по трем парам, суммарная скорость составляет 100Мбит/c. Максимальная длина сегмента – 100 м.

Устройства, поддерживающие 100BaseTX или 100BaseT4, должны иметь функцию согласования режимов (auto-negotiation), позволяющую выбрать самый эффективный режим, доступный обоим участникам обмена. Всего определено 5 режимов (перечислены в порядке возрастания приоритета): 10BaseT,дуплексный 10BaseT, 100BaseTX, 100BaseT4, дуплексный 100BaseTX.

Для согласования узлы передают пачки из 17-ти импульсов FLP (Fast Link Pulse), в которых содержится слово, кодирующее наиболее приоритетный из доступных режимов работы. Если один из узлов посылает импульсы NLP (используемые в 10BaseT для контроля целостности линии), второй узел понимает, что единственный возможный режим – это 10BaseT.

Существует еще несколько малораспространенных версий Fast Ethernet, из которых представляет интерес 100BaseSX, работающая по многомодовому оптоволокну на длине волны 830 нм (максимальная длина кабльного сегмента – 300 м). Этот стандарт совместим с 10BaseFL и поддерживает автоматического согласование скорости передачи 10/100 Мбит/c.

В зависимости от того, какой набор методов логического кодирования поддерживает повторитель, он относится к классу I (поддерживает и 4B/5B, и 8B/6T) или к классу II (поддерживает только один из методов). Повторители класса I порты всех трех типов – 100baseFX, 100BaseTХ, 100BaseT4, но, за счет необходимости преобразования схем кодирования, вносят большую задержку – до 140 bt. Поэтому в одном домене коллизий может быть не более одного повторителя класса I. Повторители класса II имеют либо порты 100BaseFX и 100BaseTX, либо только порты 100BaseT4. Вносимая задержка может достигать 92 bt (TX/FX) или 67 bt (t4). Максимальное количество повторителей класса II в одном домене коллизий – 2. Поскольку максимальный диаметр домена коллизий Fast Ethernet для витой пары – 205 м, а каждая станция может быть удалена от повторителя на расстояние до 100 м, в худшем случае повторители (только класса II) должны соединяться кабелем длиной не более 5 м.

Технология Gigabit Ethernet 1000 Мбит/с

Технология Gigabit Ethernet описывается двумя стандартами: IEEE 802.3z (1998 год) и IEEE 802.3ab (1999 год). Разработчики стандартов старались максимально сохранить идеи классического Ethernet. Как и при переходе от Ethernet к Fast Ethernet, основное новшество состояло в десятикратном (по сравнению с Fast Ethernet) уменьшении длительности битового интервала – до 1нс. Для того чтобы сохранить максимальный диаметр домена коллизий на уровне 200м, пришлось увеличить минимальный размер кадра с 64 до 512 байт (4096 bit). Если передается короткий кадр, его поле данных должно быть дополнено до требуемой длины запрещенными символами. С другой стороны, эти ограничения диктуются необходимостью распознавания коллизий, что существенно только для полудуплексного режима работы. Для Gigabit Ethernet более характерен дуплексный режим, при котором длина кабельного сегмента ограничивается не временем двойного оборота, а затуханием сигнала и частотными свойствами линии.

Для снижения накладных расходов при передаче коротких кадров (например, подтверждений приема пакетов), предусмотрен пакетный режим передачи (Burst Mode). Узел может передать подряд несколько небольших кадров (не дополняя каждый из них до 512 байт), суммарной длиной не более 8192 байт. Отдельные кадры в такой группе могут быть адресованы разным получателям.

Стандарт IEEE 802.3z определяет следующие версии: 1000BaseSX, 1000BaseLX, 1000BaseCX.

Версия 1000BaseSX определяет работу по многомодовому оптоволокну на длине волны 850 нм.

Максимальная длина сегмента при работе в полудуплексном режиме составляет 100 м. В дуплексном режиме максимальная длина кабеля зависит от его полосы пропускания и может достигать 800 м.

Версия 1000BaseLX определяет работу по многомодовому или одномодовому оптоволокну на длине волны 1310 нм. Максимальная длина сегмента для одномодового волокна достигает 5 км, а для многомодового – 550 м.

Версия 1000BaseCX использует в качестве среды передачи твинксиальный (twinaxial) кабель, представляющий собой два коаксиальных кабеля (волновое сопротивление 75 Ом) в общей оплетке. По такому кабелю можно организовать только полудуплексный режим. Максимальная длина сегмента составляет 25 м, поэтому такой кабель наиболее применим для связи оборудования в пределах одной комнаты.

Стандарт IEEE 802.3ab определяет версию Gigabit Ethernet на витой паре 5 категории - 1000BaseT. Сигнал физически кодируется с использованием 5 уровней потенциала (код PAM-5) и передается одновременно по четырем парам. Код PAM-5 на тактовой частоте 125 МГц укладывается в полосу пропускания 100 МГц кабеля 5 категории. Для дуплексного режима передача ведется одновременно в обоих направления, а для выделения принимаемого сигнала, приемник вычитает из принятой смеси сигналов свой собственный сигнал. Для выполнения этой операции используются цифровые сигнальные процессоры.

Технология 100VG-AnyLAN

Комитет IEEE 802.12 в 1995 году принял технологии 100VG-AnyLAN, использующую новый метод доступа Demand Priority (приоритет запросов) и поддерживает кадры двух форматов – Ethernet и Token Ring. Эта технология была разработана фирмами Hewlett-Packard и AT&T. Аббревиатура VG (Voice Grade, для голоса) указывает на применимость технологии для телефонии, а AnyLAN (любая ЛВС) означает возможность работы с Ethernet и Token Ring.

Метод доступа Demand Priority основан на централизованном арбитраже доступа к среде передачи. Концентратор циклически опрашивает узлы, подключенные к его портам. Если узел желает передать кадр, он сообщает об этом концентратору и указывает приоритет кадра (всего определено два приоритета – низкий и высокий). Пока сеть занята, запрос ставится концентратором в очередь, обслуживаемую в порядке поступления запросов, но с учетом приоритетов. Если к порту подключен другой концентратор, то концентратор верхнего уровня ожидает, пока он не закончит опрос своих портов. Если сеть свободна, концентратор разрешает передачу пакета, анализирует адрес получателя, и передает кадр только на тот порт, к которому подключен получатель. Фактически, концентратор 100VG-AnyLAN выполняет функции моста: он ведет таблицу MAC-адресов и соответствующих им портов. MAC-адреса узлов определяются в момент их подключения. В отличие от моста, концентратор 100VG-AnyLAN не выполняет буферизацию кадров, а побитно транслирует их в нужный порт.

Первоначальный вариант технологии 100VG-AnyLAN подразумевал использование 4 витых пар категории 3 (и выше). Позже были разработаны версии 100VGF-AnyLAN, работающие по двум парам категории 5 или по многомодовому оптоволокну.

При работе по витой паре 3 категории (гарантированная полоса пропускания 16 МГц), технология 100VG-AnyLAN задействует четыре пары для полудуплексной передачи (дуплексный режим не поддерживается). При этом по каждой паре передается 25 Мбит/с. Логическое кодирование – 5B/6B, физическое – NRZ.

Используется только строго иерархическая топология, допускается наличие до пяти уровней концентраторов. Длина любого кабельного сегмента (узел-концентратор или концентратор-концентратор) при использовании витой пары категории 3 -не более 100 м, а категории 5 – до 200 м. Диаметр сети может достигать 2 км. Максимальное количество узлов в сети – до 1024 (рекомендуется – до 250).

Технология 100VG-AnyLAN не определяет своего формата кадра, а может использовать либо кадры Ethernet 802.3, либо кадры Token Ring 802.5, но в одной сети может использоваться только один тип кадра. Оборудование 100VG-AnyLAN физически несовместимо с оборудованием других технологий, однако выпускались адаптеры 100VG-AnyLAN со встроенной поддержкой Ethernet (и двумя отдельными разъемами для подключения к сети 100VGAnyLAN и к сети Ethernet). Такие адаптеры позволяли более плавно перейти от Ethernet к 100VG-AnyLAN, заменив сначала адаптеры, и только потом концентратор.

Централизованное управление доступом и наличие системы приоритетов позволяет использовать 100VG-AnyLAN для приложений, чувствительных ко времени отклика – мультимедийных приложений, видеоконференций и т.п.

Технология 100VG-AnyLAN не выдержала конкуренции с более простым и преемственным (по отношению к Ethernet) стандартом Fast Ethernet, и в настоящее время не развивается.