Сетевая архитектура Ethernet

⇐ ПредыдущаяСтр 30 из 39Следующая ⇒

Ветераном сетевых технологий (архитектур) является Ethernet – эта спецификация была предложена фирмами DEC, Intel и Xerox в 1980 году, и несколько позже на ее основе появился стандарт IEEE 802.3 [1]–[8]. По первым буквам названий этих фирм образовано сокращение DIX, фигурирующее в описаниях этой технологии. Слово Ether (эфир) в названии технологии обозначает многообразие возможных сред передачи. Первые версии Ethernet v.1.0 и Ethernet v2.0 предназначались только для коаксиального кабеля, стандарт IEEE 802-3 рассматривает и иные варианты среды передачи – витую пару и оптоволокно. Сейчас под названием Ethernet подразумевают стандарт IEEE 802.3 (скорость 10 Мбит/с). В 1995 году был принят стандарт IEEE 802.3u – Fast Ethernet со скоростью 100 Мбит/с, а в 1997 году – IEEE 802.3z – Gigabit Ethernet (1000 Мбит/с). Осенью 1999 года принят стандарт IEEE 802.3ab – Gigabit Ethernet на витой паре категории 5. Популярные разновидности Ethernet обозначаются как 10Ваsе2, 100BaseTX и др. Здесь первый элемент обозначает скорости передачи, Мбит/с. Второй элемент: Base – прямая (немодулированная) передача, Broad – использование широкополосного кабеля с частотным уплотнением каналов. Третий элемент – округленная длина кабеля в сотнях метров (10Base2 – 185 м, 10Base5 – 500 м, хотя в 10Base5 длина до 250 м) или среда передачи (ТХ, Т2, Т4 – витые пары, FX, FL, FB, SX и LX – оптоволокно, СХ – твинаксиальный кабель для Gigabit Ethernet). Эти разновидности будут рассмотрены ниже.

Технология Ethernet основана на методе множественного доступа к среде передачи с прослушиванием несущей и обнаружением коллизий – CSMA/CD. Суть этого метода опишем применительно к «классической» версии Ethernet (10 Мбит/с на коаксиальном кабеле) и рассмотрим более поздние вариации.

5.1. Метод доступа CSMA/CD

Каждый узел сети имеет сетевой адаптер – схему, реализующую метод CSMA/CD на аппаратном (или микропрограммном) уровне. Адаптер имеет приемопередатчик – трансивер, подключенный к общей (разделяемой) среде передачи, в оригинале – к коаксиальному кабелю. Адаптер узла (для краткости — узел), нуждающийся в передаче информации, прослушивает линию и дожидается «тишины» – отсутствия сигнала (несущей). Далее он формирует кадр (frame, фрейм), начинающийся с синхронизирующей преамбулы, за которой следует поток двоичных данных в самосинхронизирующемся (манчестерском) коде. Все остальные узлы принимают этот сигнал, синхронизируются по преамбуле и декодируют его в последовательность бит, помещаемую в свой приемный буфер. Окончание кадра определяется по пропаданию несущей, и по этому событию приемники анализируют принятый кадр. Этот кадр контролируется на отсутствие ошибок (с помощью контрольной последовательности бит и по длине), после чего в «хорошем» кадре проверяется адресная информация. В каждом кадре имеется заголовок с МАС-адресами узла-источника и узла его назначения. Если адрес назначения кадра соответствует МАС-адресу данного узла, то кадр поступает на дальнейшую обработку протоколами вышестоящих уровней. Кадры, не адресованные данному узлу, игнорируются им на аппаратном уровне адаптера, не отвлекая центральный процессор узла.

Теперь предположим, что два узла хотят передать данные почти одновременно: оба дождались «тишины» и стали передавать преамбулу. Столкновение двух сигналов – коллизия – приведет к их искажению, которое обнаруживается передатчиком. Передающие узлы, обнаружив коллизию, прекращают передачу кадра, после чего повторную попытку передачи сделают через случайный интервал времени (каждый через свой) после освобождения линии. Если повторная попытка также не удалась, делается следующая (и так до 16 раз), причем интервал увеличивается. Приемник обнаруживает коллизию по ненормально короткой длине (в «хорошем» кадре она не может быть меньше 64 байт, не считая преамбулы) и такие кадры отбрасывает.

Коллизии являются нормальным, хотя и нежелательным явлением в сети Ethernet. Метод CSMA/CD хорошо работает лишь при общей загрузке канала (среды передачи) до 30%. При большей загрузке коллизии приводят к прогрессирующей деградации производительности, что является слабым местом технологии Ethernet. Несмотря на то что в принципе Ethernet допускает наличие в одном сегменте сотен (даже тысяч) узлов, при их высокой активности разумный размер домена коллизий – группы узлов, связанных общей средой (кабелями и повторителями), – ограничен лишь несколькими десятками узлов. Протяженность домена коллизий ограничивается временем распространения сигнала между самыми удаленными друг от друга узлами.

Временные соотношения принято измерять в битовых интервалах bt (bit time). Битовый интервал – время, необходимое для передачи одного бита, которое при скорости передачи 10 Мбит/с составляет 0,1 мкс. Смежные 8-битные группы называют как байтами, так и октетами.

Двоичная информация передается в манчестерском коде. В середине каждого битового интервала происходит изменение состояния в линии: от -V к +V для единичного бита, от +.V к –V – для нулевого. Вначале битового интервала изменение может быть, а может и не быть. Передатчик является источником тока 40 мА, приемник – детектором уровня напряжения с высоким входным сопротивлением. Узел, не передающий в данный момент, вносит нагрузку с сопротивлением более 100 кОм. Приемник и передатчик подключаются к общему коаксиальному кабелю с импедансом 50 Ом, который с обоих концов оканчивается 50-омными терминаторами. Т-образные ответвления кабеля недопустимы. Два терминатора образуют нагрузку с сопротивлением по постоянному току 25 Ом, с учетом сопротивления кабеля эта нагрузка может доходить и до 30 Ом (худший случай, когда узел расположен в середине самого длинного сегмента). На номинальной нагрузке ток 40 мА от одного передатчика вызывает падение напряжения 1 В. Коллизия определяется передающим трансивером по большому уровню (более 1,5 В) сигнала в линии, вызванному одновременной работой двух и более передатчиков. Принятый метод доступа и способ передачи сигналов критичен к импедансу кабеля и терминаторов. При использовании иного кабеля (например, 75 Ом) и нарушении терминации сеть практически неработоспособна – из-за большого сопротивления нагрузки сигнал одиночного передатчика будет превышать порог срабатывания детектора коллизий. Этот порог (1,5-1,6 В) выбирается с таким расчетом, чтобы сигнал от одного передатчика гарантированно не приводил к срабатыванию детектора, а сумма сигналов от двух передатчиков вызывала срабатывание, причем для самых худших случаев. В расчете порогов фигурируют разброс выходных токов передатчиков, максимальный входной ток приемника (он вызывает смещение уровня сигнала), входное сопротивление приемника, разброс сопротивлений терминаторов, сопротивление сегмента постоянному току (складывается из сопротивления кабеля и коннекторов). С этими расчетами связаны ограничения на количество узлов в сегменте и максимальную длину сегмента с учетом сопротивления кабелей и коннекторов.

Коллизии могут выявляться в двух режимах: передачи и приема. При выявлении коллизий в режиме передачи (transmit mode collision detection) детектор обязан обнаружить коллизию двух (и более) передатчиков; один из которых – его собственный. Это более легкий (в плане тонкости подбора порогов) случай. При выявлении коллизий в режиме приема (receive mode collision detection) детектор обязан обнаружить коллизии любых двух (и более) передатчиков, при этом «вилка» возможных значений порога сужается. Стандарт 802.3 для узлов, не являющихся повторителями, допускает оба режима обнаружения. Если все узлы используют обнаружение в режиме передачи, то появляется возможность увеличения длины сегмента (до 300 м в «тонком» варианте и до 1000 м в «толстом») и числа узлов (до 100 в «тонком»). Однако повторители должны обеспечивать обнаружение коллизий и в режиме приема, иначе они не смогут сообщить о коллизии в другой сегмент.

В первой версии Ethernet (v.1.0) уровни нормальных сигналов составляли 0 и 1 В (full step signal), при этом в линии присутствовала постоянная составляющая сигнала. В последующих версиях стали применять двуполярные сигналы половинной амплитуды (half step signal), и постоянная составляющая отсутствовала. Кадр состоит из следующих полей (рис.5.1) и табл.11:

Рис.5.1. Кадр данных Ethernet

· преамбулы (preamble) длиной в 7 байт с кодами 10101010;

· 1-байтного разделителя начала кадра SFD (Start Frame Delimiter) с кодом 10101011;

· 6-байтного адреса назначения;

· 6-байтного адреса источника;

· заголовка (тип);

· поля данных;

· 4-байтного поля контрольного CRC-кода, с помощью которого контролируется целостность всего кадра.

Таблица 11

Кадр Ethernet II

Поле кадра	Описание
Преамбула	Отмечает начало кадра
Место назначения и источник	Указывает адрес источника и адрес приемника
Тип (заголовок)	Используется для идентификации протокола Сетевого уровня (IP или IPX)
Циклический избыточный код (CRC)	Поле информации для проверки ошибок

Заголовок и поле данных в разных типах кадров трактуются по-разному, но их суммарная длина не может быть меньше 48 байт и больше 1502 байт. Если требуется передать кадр с меньшим числом байтов, то после действительных данных вводится заполнитель (Pad), доводящий размер кадра до минимально разрешенного. Таким образом, размер нормального кадра (включая адресную информацию и CRC-код) может быть в диапазоне 64-1518 байт. Адаптер приемника способен распознавать следующие ошибки кадров (конец кадра определяется по пропаданию несущей) [3]:

· длинный кадр (long, oversized) – более 1518 байт с правильным CRC-кодом. Может порождаться некорректным драйвером адаптера;

· короткий кадр (runt, undersized) – менее 64 байт с правильным CRC-кодом. Может порождаться некорректным драйвером адаптера;

· «болтливый» кадр (jabber) – более 1518 байт с неправильным CRC-кодом. Может порождаться неисправным трансивером (адаптером);

· ошибка выравнивания (alignment error) – кадр, длина которого не кратна байту. Может порождаться неисправным адаптером, трансивером, кабелем;

· ошибка контрольного кода (CRC error) – кадр правильной длины, но с неправильным CRC-кодом. Может порождаться помехами, слишком большой длиной кабеля.

На вышестоящие протокольные уровни передаются только кадры, не имеющие перечисленных ошибок. Кадр, отсеченный коллизией (менее 64 байт и с неправильным CRC-кодом), ошибочным формально не считается, но и на обработку в вышестоящие уровни не передается.

Между кадрами должен обеспечиваться временной зазор IPG (Inter Packet Gap) длительностью 9,6 мкс – узел не имеет права начать передачу раньше, чем через интервал IPG после определения момента пропадания несущей. Через 0,6 мкс после окончания передачи начинается 1,4-мкс окно тестирования цепей детектора коллизий SQE window. В это время трансивер, передавший кадр, формирует специальный тестовый сигнал SQE (Signal Quality Error), он же heartbit, по которому адаптер определяет работоспособность детектора коллизии. Сигнал SQE в общую среду передачи не поступает; он передается только между трансивером и адаптером одного и того же узла сети. Этот сигнал появился, только начиная с версии 2.0, и, если трансивер 802.3 или v.2.0 подключить к адаптеру v.1.0, он может воспринять его как сигнал коллизии и послать jam-последовательность, что приведет к невозможности нормальной передачи данных.

Трансивер как относительно независимый узел может (и должен) контролировать работу адаптера. Если он обнаружил «болтливость» адаптера (слишком долгое формирование сигналов передачи), то он прекращает передачу в линию и блокируется до тех пор, пока адаптер не «помолчит» определенное время. Таким образом обеспечивается защита среды передачи от ее монопольного захвата неисправным узлом.

Адаптер может считать, что ему удалось получить доступ к среде передачи, если он не обнаружил коллизий при передаче первых 64 байт кадра, и рапортовать об этом на более высокий протокольный уровень. Если он обнаружил коллизию, то обязан вместо продолжения пакета послать короткую (32–48-битовую) цепочку затор (jam), после чего прекратить передачу. Цель посылки затора – дать возможность всем передатчикам, вовлеченным в коллизию, ее заметить. Посылкой затора обеспечивается оповещение о коллизии узлов, разделенных повторителями. Ситуация, когда коллизия обнаружена позже 64-байтного окна (collision window), называется поздней коллизией (later collision) и является ненормальной для сети Ethernet.

Интервал времени до повторной попытки доступа t _RT определяется через интервал отсрочки TS, и случайное число t зависящее от номера попытки n:

Интервал отсрочки TS называется также тайм-слотом (time slot) и составляет 512 bt. Число t является случайным целым, равномерно распределенным в диапазоне 0–2 n для n = 1, 2,...10 и в диапазоне 0–210 для n > 10. После 16 неудачных попыток передачи адаптер отказывается от дальнейших попыток доступа, сообщая о неудаче на вышестоящие уровни. Максимальное время между двумя повторными попытками может доходить до 210.ТЗ = 524 288 bt» 52,4 мс, минимальное – 0 (сразу после зазора).

С механизмом обнаружения коллизии связаны пространственные ограничения на размер домена коллизий, обусловленные конечностью скорости распространения сигнала в среде передачи и задержками, вносимыми повторителями. На рис.5.2 приведена временная диаграмма действий двух узлов, заметно удаленных друг от друга.

Рис.5.2. Влияние задержек на обнаружение коллизии

Пусть узел А начал передавать кадр в момент t _OA, и вскоре появилась потребность в передаче у узла В. Узел В будет видеть линию свободной вплоть до момента t_0B, и в момент t _1B ему ничто не мешает начать передачу. Вскоре его передатчик обнаружит коллизию, и он вместо продолжения кадра начнет передавать сигнал затора. Передатчик А обнаружит коллизию только в момент t_1А и тоже прекратит передачу кадра. Максимальное время, в течение которого передатчик А будет «беззаботно» передавать пакет, составит t _TRAMAX = t _AB+ t _BA – так называемое время двойного оборота по сети (round trip time). Это время плюс время на передачу затора должно быть меньше, чем время передачи самого короткого кадра, иначе кадры, оборванные коллизией, приемник будет пытаться трактовать как нормальные. Таким образом, время двойного оборота не должно превышать времени передачи кадра минимальной длины. Для надежности берут еще и запас, с учетом которого время двойного оборота не должно превышать 45 мкс. Поскольку сеть симметрична, для определения ограничений достаточно определить время прохождения сигнала между двумя самыми удаленными друг от друга узлами домена коллизий. В это время входит задержка распространения сигнала в кабеле, а также задержки, вносимые повторителями (если они встречаются на пути), и время реакции адаптера на обслуживание коллизии. Это время не должно превышать 25,6 мкс, а для надежности следует еще оставить запас в 1–5 мкс. Расстояние между максимально удаленными узлами называется диаметром домена коллизий. Скоростные технологии – Fast Ethernet и Gigabit Ethernet – имеют тот же механизм обнаружения коллизий, и из-за более высокой частоты передачи (bt = 10 нс в Fast и bt = 1 нс в Gigabit Ethernet) ограничения на диаметр домена коллизий жестче. Для их смягчения в Gigabit Ethernet пошли на увеличение минимального размера кадра. Расчет допустимых размеров сети приведен в параграфе 5.5.

Сети Ethernet используют различные варианты кабелей и топологий. Далее будут представлены варианты, основанные на спецификации IEEE.

5.2. Стандарты IEEE на 10 Мбит/с

В данном параграфе будут рассмотрены четыре топологии Ethernet со скоростью передачи 10 Мбит/с [1]–[7],[10], [11]:

· 10BaseT;

· 10Base2;

· 10Base5;

· 10BaseFL.

10BaseT. В 1990 году IEEE опубликовал спецификацию 802.3 для построения сети Ethernet на основе витой пары. 10BaseT (10 – скорость передачи 10 Мбит/с, Base – узкополосная, Т – витая пара) – сеть Ethernet, которая для соединения компьютеров обычно использует неэкранированную витую пару (UTP). Тем не менее и экранированная витая пара (STP) также может применяться в топологии 10BaseT без изменения каких-либо ее параметров.

Большинство сетей этого типа строятся в виде звезды, но по системе передачи сигналов представляют собой шину, как и другие конфигурации Ethernet. Обычно концентратор сети 10BaseT выступает как многопортовый (multiport) репитер и часто располагается в распределительной стойке здания. Каждый компьютер подключается к другому концу кабеля, соединенного с концентратором, и использует две пары проводов: одну – для приема, другую – для передачи.

Максимальная длина сегмента 10BaseT – 100 м. Минимальная длина кабеля – 2,5 м. ЛВС 10BaseT может обслуживать до 1024 компьютеров.

Кабель UTP обеспечивает скорость передачи данных 10 Мбит/с. Изменение конфигурации производится на коммутационных панелях простым переключением шнура из одного гнезда в другое. Эти изменения не затрагивают другие сетевые устройства (в отличие от сети Ethernet традиционной топологии «шина»).

При скорости передачи выше 10 Мбит/с коммутационные панели перед использованием необходимо тестировать. Новейшие концентраторы обеспечивают соединение как для толстого, так и для тонкого коаксиального кабеля Ethernet. При такой реализации сети, присоединив мини-трансивер 10BaseT к порту AUI платы сетевого адаптера, несложно перейти от толстого Ethernet к витой паре (10BaseT).

10Base2 (10 – скорость передачи 10 Мбит/с, Base – узкополосная передача, 2 – передача на расстояние, примерно в два раза превышающее 100 м (фактическое расстояние 185 м)). Сеть такого типа ориентирована на тонкий коаксиальный кабель, или тонкий Ethernet, с максимальной длиной сегмента 185 м. Минимальная длина кабеля 0,5 м. Кроме того, существует ограничение на максимальное количество компьютеров, которое может быть размещено на 185-метровом сегменте кабеля, – 30 штук. Компоненты кабеля «тонкий Ethernet»: BNC баррел-коннекторы; BNC Т-коннекторы; BNC-терминаторы.

Сети на тонком Ethernet обычно имеют топологию «шина». Стандарты IEEE для тонкого Ethernet не предусматривают использования кабеля трансивера между Т-коннектором и компьютером. Вместо этого Т-коннектор располагают непосредственно на плате сетевого адаптера.

BNC баррел-коннектор, соединяя сегменты кабеля, позволяет увеличить его общую длину. Однако использование баррел-коннекторов желательно свести к минимуму, поскольку они ухудшают качество сигнала.

Сеть на тонком Ethernet – экономичный способ реализации сетей для небольших отделений и рабочих групп. Используемый в такого типа сетях кабель относительно недорогой, прост в установке, легко конфигурируется.

По спецификации IEEE 802.3 сеть на тонком Ethernet может поддерживать до 30 узлов (компьютеров и репитеров) на один кабельный сегмент.

Правило 5-4-3. Сеть на тонком Ethernet может состоять максимум из пяти сегментов кабеля, соединенных четырьмя репитерами, но только к трем сегментам при этом могут быть подключены рабочие станции. Таким образом, два сегмента остаются зарезервированными для репитеров, их называют межрепитерными связями. Такая конфигурация известна как правило 5-4-3 (рис.5.3).

10Base5 (10 – скорость передачи 10 Мбит/с, Base – узкополосная передача, 5 – сегменты по 500 м (5 раз по 100 м)). Известно и другое ее название – стандартный Ethernet. Сети на толстом коаксиальном кабеле (толстый Ethernet) обычно используют топологию «шина». Толстый Ethernet может поддерживать до 100 узлов (рабочих станций, репитеров и т.д.) на магистральный сегмент. Магистраль, или магистральный сегмент, – главный кабель, к которому присоединяются трансиверы с подключенными к ним рабочими станциями и репитерами. Сегмент толстого Ethernet может иметь длину 500 м при общей длине сети 2500 м. Расстояния и допуски для толстого Ethernet больше, чем для тонкого Ethernet.

Рис.5.3. Правило 5-4-3

Компоненты кабельной системы:

· трансиверы, обеспечивая связь между компьютером и главным кабелем ЛВС, совмещены с «зубом вампира», соединенным с кабелем;

· кабели трансиверов (ответвляющиеся кабели) соединяют трансивер с платой сетевого адаптера;

· DIX-коннектор, или AUI-коннектор расположен на кабеле трансивера;

· коннекторы N-серии (в том числе баррел-коннекторы) и терминаторы N-серии.

Компоненты толстого Ethernet работают так же, как компоненты тонкого Ethernet. Обычно в крупных сетях совместно используют толстый и тонкий Ethernet. Толстый Ethernet хорошо подходит в качестве магистрали, а для ответвляющихся сегментов применяют тонкий Ethernet. Вероятно, Вы помните, что толстый Ethernet имеет медную жилу большего сечения и может передавать сигналы на большие расстояния, чем тонкий Ethernet. Трансивер соединяется с кабелем «толстый Ethernet», AUI-коннектор кабеля трансивера включается в репитер. Ответвляющиеся сегменты тонкого Ethernet соединяются с репитером, а к ним уже подключаются компьютеры.

10BaseFL (10 – скорость передачи 10 Мбит/с, Base – узкополосная передача, FL – оптоволоконный кабель) представляет собой сеть Ethernet, в которой компьютеры и репитеры соединены оптоволоконным кабелем.

Основная причина популярности 10BaseFL – возможность прокладывать кабель между репитерами на большие расстояния (например, между зданиями). Максимальная длина сегмента 10BaseFL – 2000 м.

5.3. Стандарты IEEE на 100 Мбит/с

Новые стандарты Ethernet позволяют преодолеть скорость передачи в 100 Мбит/с [1], [3], [4], [6], [7]. Эти новые возможности разрабатываются для таких приложений, порождающих интенсивный трафик, как:

· CAD (системы автоматического проектирования);

· САМ (системы автоматического производства);

· видео;

· отображение и хранение документов.

100BaseX Ethernet – стандарт, иногда называемый Fast Ethernet, является расширением существующего стандарта Ethernet. Он строится на UTP категории 5, использует метод доступа CSMA/CD и топологию «звезда-шина» (подобно 10BaseT), где все кабели подключены к концентратору.

100BaseX включает три спецификации среды передачи:

1) 100BaseT4 (UTP категории 3, 4 или 5 с четырьмя парами проводов);

2) 100BaseTX (UTP или STP категории 5 с двумя парами проводов);

3) 100BaseFX (двухжильный оптоволоконный кабель).

Ethernet может использовать несколько протоколов связи, в том числе и TCP/IP, который хорошо работает в операционной среде UNIX. Поэтому он так популярен в научных и образовательных системах.

Центральным устройством в Fast Ethernet может быть повторитель или коммутатор. Повторители делятся на два класса.

Повторитель класса I (class I repeater) является транслирующим (translational repeater), он поддерживает разные схемы кодирования, принятые в технологиях 100BaseTX/FX и 100BaseT4. При этом вносимая задержка может достигать 140 bt.

Повторитель класса II (class II repeater) является прозрачным (transparent repeater), он поддерживает только одну из схем кодирования — технологию 100BaseTX/FX или 100BaseT4. При этом вносимая задержка может достигать 92 bt.

Производительность Ethernet можно повысить, разделив перегруженный сегмент на два, соединенные мостом или маршрутизатором (рис.5.4). Трафик в каждом сегменте при этом уменьшается, так как меньшее число компьютеров в сегменте пытается осуществить передачу, вследствие чего время доступа к кабелю сокращается.

Рис.5.4. Сегментация сети с использованием моста

Разделение сегмента – удачный ход при подсоединении к сети новых пользователей или установке новых приложений, интенсивно работающих с сетью (например, баз данных и видеоприложений).

Ethernet работает с большинством популярных сетевых операционных систем [5], [8], [13], [17], [18]:

· Microsoft Windows 95/98/2000/XP/Vista;

· Microsoft Windows Server NT4/2000/2003;

· Microsoft Windows for Workgroups;

· Novell NetWare;

· IBM LAN Server;

· AppleShare;

· Lantastic.

В табл.12 обобщена спецификация архитектуры Ethernet. В ней приводятся минимальные стандартные требования спецификации IEEE. (Конкретная реализация сетевой архитектуры может отличаться от требований, указанных в таблице.)

Таблица 12

Дата добавления: 2015-12-17; просмотров: 33; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 25 26 27 28 293031 32 33 34 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!