Локальная сеть организации на основе fast ethernet кратко

Обновлено: 03.07.2024

В сети Fast Ethernet не предусмотрена физическая топология шина, используется только пассивная звезда или пассивное дерево. К тому же в Fast Ethernet гораздо более жесткие требования к предельной длине сети. Ведь при увеличении в 10 раз скорости передачи и сохранении формата пакета его минимальная длина становится в десять раз короче. Таким образом в 10 раз уменьшается допустимая величина двойного времени прохождения сигнала по сети (5,12 мкс против 51,2 мкс в Ethernet).

Точно так же для сети Ethernet, работающей на скорости 100 Мбит/с (Fast Ethernet) стандарт определяет три типа сегментов, отличающихся типами среды передачи:

100BASE-T4 (счетверенная витая пара);
100BASE-TX (сдвоенная витая пара);
100BASE-FX (оптоволоконный кабель).

Аннотация: Сети, в основе которых лежит соединение компьютеров кабелями, распространены сегодня сильнее всего. Все дело в том, что технологии проводных сетей позволяют создавать высокопроизводительные и недорогие решения, которые отлично подходят для любых целей. Проводные сети часто называют Ethernet-сетями – по названию технологии Ethernet, которая лежит в основе большинства таких сетей. Существуют и другие технологии проводных сетей, но они не пользуются такой же популярностью, как Ethernet.

1.1. Общие сведения о технологии Ethernet

Стандартизацией технологий локальных сетей занимается Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике, или, сокращенно IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers ). Стандарты, разрабатываемые этой организацией, имеют определенную нумерацию.

Группа стандартов, имеющих отношение к локальным сетям, имеет номер 802 – по номеру рабочей группы, которая еще в 80-х годах начала заниматься стандартизацией ЛВС . Сегодня в группу 802 входит множество подгрупп, среди которых можно отметить IEEE 802.3 , занимающуюся разработкой стандартов Ethernet -сетей, использующих метод доступа к среде CSMA/CD .

Технология Ethernet получила свое название благодаря своему создателю – Роберту Меткалфу. Он и его коллеги занимались работой над сетевыми технологиями в одной из лабораторий Xerox больше тридцати лет тому назад.

1.1.1. Общие характеристики сети 100Base-TX, Gigabit Ethernet

В качестве сред передачи данных разные версии Ethernet используют коаксиальный кабель , витую пару и оптоволокно . Сети на коаксиале морально устарели (хотя они все еще существуют), оптоволокно (наилучший по скорости и помехоустойчивости вариант) слишком дорого для широкого распространения, а витая пара стала самой распространенной средой передачи данных для локальных сетей.

Группа спецификаций IEEE 802.3 включает в себя немало стандартов, среди которых мы отметим несколько.

100Base-TX – наиболее актуальный для небольших локальных сетей. Эту технологию называют еще Fast Ethernet или 100 Mbit- Ethernet . Данное наименование может относиться и к другим реализациям Ethernet , но здесь под Fast Ethernet мы подразумеваем именно 100Base-TX .

Пропускная способность такой сети равняется 100 Мбит/с, в качестве среды передачи данных используется витая пара – в частности, для небольших локальных сетей наиболее актуально применение неэкранированной витой пары 5-й категории, так же возможно использование экранированной витой пары.

Gigabit Ethernet – гигабитный Ethernet – локальная сеть с пропускной способностью 1000 Мбит/с. Оборудование для этого вида Ethernet -сетей пока еще достаточно дорого, хотя вполне доступно. Существуют несколько вариантов Gigabit Ethernet - 1000Base-X, 1000Base-LX, 1000Base-SX, 1000Base-CX, 1000Base-T. В качестве физической среды передачи данных он может использовать ту же витую пару 5-й категории, что и Fast Ethernet , однако для подобной сети лучше всего подходят оптоволоконные линии связи.

1.1.2. Пропускная способность локальной сети

Пропускной способностью называется скорость передачи данных по линии связи. Единица измерения пропускной способности сети – бит в секунду. Существуют и альтернативные единицы измерения – например – пакет в секунду. Бит, как наименьшая единица информации, может принимать всего два значения – единица или ноль. Современные линии связи позволяют достигать очень высоких скоростей передачи данных и для удобства используют производные единицы измерения скорости – килобит в секунду (Кбит/с), мегабит в секунду (Мбит/с), гигабит в секунду (Гбит/с) и так далее.

"Сетевые" килобиты и мегабиты соответствуют традиционным метрическим величинам, принятым в других отраслях науки. То есть 1 Кбит/с соответствует 1000 Бит/с.

Для многих из нас удобнее работать с обычными "компьютерными" единицами количества информации, чем с метрическими. Для того, чтобы перейти от мегабитов и килобитов к мегабайтам и килобайтам нужно руководствоваться следующими соображениями. Во-первых, один байт равен восьми битам, а во-вторых, килобайт равен 1024 байтам, мегабайт 1024 килобайтам и так далее. То есть для того, чтобы перевести пропускную способность 100-мегабитной линии связи в мегабайты надо найти количество байтов, соответствующее 100 мегабитам и два раза разделить полученное значение на 1024. Считаем. 100 Мбит/с – это 100 000 000 Бит/с или 12 500 000 Байт/с (100 000 000/8). Теперь переходим к килобайтам в секунду. 12 500 000/1024=12207 Кб/с. Делим полученное значение в килобайтах на 1024 и получаем 11,9 Мб/с. Получается, что 100 Мбит/с – это примерно 12 Мбайт/с.

Говоря о пропускной способности линии связи надо учитывать, что она редко достигает максимальных для какой-либо технологии значения по причинам помех в линиях связи, ошибок в работе оборудования и так далее. Так же надо учитывать, что часть пропускной способности тратится на передачу служебной информации – в результате, например, линия связи с теоретической пропускной способностью в 12 Мбайт/с может передавать полезные данные со скоростью на несколько Мбайт/с меньшей, чем эта величина.

Прежде чем говорить о других свойствах сети, обсудим метод доступа к среде передачи данных , который в ней используется.

1.1.3. CSMA/CD

Выше мы упоминали метод доступа к среде передачи данных CSMA/CD , который используется в Ethernet -сетях.

CSMA/CD расшифровывается как Carrier Sense Multiply Access with Collision Detection - метод коллективного доступа с опознанием несущей и обнаружением коллизий. CSMA/CD используется в сетях с общей средой передачи данных – в случае с Ethernet – это кабель . Все компьютеры, подключенные к сети, могут принимать сигналы друг от друга, но одновременно обмениваться данными могут лишь два компьютера.

Для того, чтобы лучше понять, как же работает метод доступа CSMA/CD , попытаемся представить себе небольшую Ethernet -сеть из 8 компьютеров в виде комнаты, где разместились 8 человек, которые хотят пообщаться. Среда передачи данных – это воздух комнаты, посредством которого распространяются звуки, произносимые людьми. Одновременно могут общаться лишь два человека – если в маленькой комнатке одновременно начнут разговаривать несколько человек – да еще и в полный голос – всем придется туго – разобрать кто что сказал станет довольно сложно. А если в разговор двух людей случайно вклинится еще кто-нибудь – разговора может и не получиться – слова будут заглушены нежданным собеседником, их придется повторять или даже начинать разговор заново. Но в нашей воображаемой комнате существуют правила – двое могут непрерывно общаться лишь определенное время, замолкая после этого и давая возможность поговорить другим.

Точно так же и в случае с CSMA/CD – когда два компьютера общаются, остальные молчат. Когда эти компьютеры замолкают, другие могут начать разговор. Причем, в сети возможны исключительные ситуации – так называемые коллизии. Они случаются, например, если два компьютера одновременно начали передачу данных другим компьютерам. Сигналы в сети смешиваются, и на короткое время в сети возникает "молчание", после которого опять начинается передача данных. Понятно, что если в сети будет неисправная сетевая карта , которая будет непрерывно посылать в сеть сигналы (ее можно сравнить с участником вышеописанной беседы, который без остановки что-то кричит), работа сети будет остановлена.

Это очень упрощенное описание CSMA/CD , которое, однако, дает достаточно полное представление об этом методе доступа к среде и об особенностях работы Ethernet -сети. А теперь давайте рассмотрим еще некоторые характеристики Ethernet -сети.

1.1.4. Ограничения стандарта 100Base-TX

Стандарт 100Base-TX имеет определенные ограничения на структуру сети, построенной в соответствии с ним.

В частности, стандарт вводит ограничение на длину сегмента сети в 100 метров (на самом деле эта длина ограничена 94 метрами, но мы здесь и далее будем использовать круглую цифру 100). То есть, вы можете подключить к коммутатору несколько компьютеров кабелями , длина каждого из которых составляет 100 метров.

В стандарте существует такое понятие, как домен коллизий – сегмент сети, все узлы которого способны распознать коллизию независимо от места в сети, где она произошла. Именно для того, чтобы узлы могли правильно распознавать коллизии, и вводится ограничение на длину кабелей .

1.2. Топологии локальных сетей

Топология – это способ связи нескольких компьютеров в сеть .

Простейшая топология локальной сети – это связь двух компьютеров. Такую сеть можно организовать и по стандартам Ethernet , соединив сетевые карты двух машин особым образом разведенным кабелем .

Итак, простейшая топология – это одна связь , соединяющая два узла сети. На такую топологию похожа кольцевая топология , все узлы которой соединены в кольцо. Данные в такой сети обычно передаются от компьютера к компьютеру в одном направлении. Еще одна топология носит название общая шина . Она свойственна устаревшим Ethernet -сетям, построенным на основе коаксиального кабеля .

В настоящий момент наибольшее распространение получила топология " звезда " (рис. 1.1.) - актуальна она и для Ethernet -сетей. В центре "звезды" находится хаб ( коммутатор , концентратор, повторитель ) от которого отходят провода, соединяющие его с компьютерами.

Звездообразная топология отличается от шинной повышенной надежностью. Если какая-нибудь связь в шинной топологии будет повреждена, то сеть будет разбита на два независимых сегмента. А повреждение кабеля при звездообразной организации сети ведет лишь к отключению от коммутатора одного из компьютеров.

Надо отметить, что коммутаторы (а также маршрутизаторы) могут объединяться, образуя таким образом топологию "иерархическая звезда " - несколько обычных "звезд", соединенных линиями связи.

Существуют и другие топологии . Например, для глобальных сетей характерна ячеистая топология , когда от одного узла сети связи могут идти к нескольким другим. Полный вариант ячеистой топологии – это полносвязная топология – когда каждый из узлов сети имеет интерфейсы для связи со всеми остальными.

100BASE-T4 (счетверенная витая пара);
100BASE-TX (сдвоенная витая пара);
100BASE-FX (оптоволоконный кабель).

Осенью 1995 г. комитет IEEE 802.3 принял спецификацию Fast Ethernet в качестве стандарта 802.3u, который является дополнением к существующему стандарту 802.3.

Уровни MAC и LLC в Fast Ethernet остались теми же. Все отличия техно- логии Fast Ethernet от Ethernet сосредоточены на физическом уровне. Обеспе- чить скорость передачи 100 Мбит/с сложнее, чем 10 Мбит/с.

Коаксиальный кабель не применяется. На небольших расстояниях витая пара категории 5 позволяет передавать данные с той же скоростью, что и коак- сиальный кабель, но сеть дешевле и удобней в эксплуатации.

В Fast Ethernet меняется как количество проводников, так и методы коди- рования. В Fast Ethernet детально определены подуровни физического уровня, зависящие и не зависящие от физической среды.

Официальный стандарт 802.3u установил для разных сред передачи три различных спецификации физического уровня Fast Ethernet:

• 100Base-TX – для двух пар кабеля (прием/передача) UTP (Unshielded Twisted Pair – неэкранированная витая пара) категории 5 или STP (Shielded

Twisted Pair – экранированная витая пара) Type 1 (используемые коды – 4В/5В и MLT-3);

• 100Base-T4 – для четырех пар кабеля UTP категории 3, 4 или 5;

Для передачи данных используется метод кодирования 4B/5B: 4-битовый код представляется 5-битовым кодом. Коды 4B/5B построены так, что гаранти- руют не более трех нулей подряд при любом сочетании бит в исходной инфор- мации. За счет достаточно частой смены знака передаваемых бит обеспечивает- ся синхронизация приемника с передатчиком. Избыточный бит вынуждает пе- редавать биты кода 4B/5B со скоростью 125 Мб/c.

Спецификация 100Base-T4 была разработана для того, чтобы можно было использовать имеющуюся проводку (в частности, телефонную) на витой паре категории 3.

Вместо кодирования 4B/5В в этом методе используется кодирование 8B/6T. Каждые 8 бит кодируются 6 троичными сигналами. Группа из 6 троич- ных цифр (посылок) передается на одну из трех передающих витых пар незави- симо и последовательно. Четвертая пара используется для прослушивания не- сущей частоты в целях обнаружения коллизии. Скорость передачи данных по каждой из трех передающих пар равна 33.3 Мб/c, поэтому общая скорость про- токола 100Base-T4 составляет 100 Мб/c. 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.

Формат кадров технологии Fast Ethernet (рис. 3.7) почти не отличается от формата кадров технологий 10-мегабитного Ethernet.

DSAP

SSAP

Control

Data

Байты … 1 7 1 6 6 2 ≥1500 4 ≤448 …

Рис. 3.7. Формат кадра Fast (Giga) Ethernet

Сети Fast Ethernet имеют иерархическую древовидную структуру, по- строенную на концентраторах. Основным отличием конфигураций сетей Fast Ethernet является сокращение диаметра сети примерно до 200 м, что объясняет- ся уменьшением времени передачи кадра минимальной длины в 10 раз за счет увеличения скорости передачи в 10 раз.

Протокол Gigabit Ethernet

Стандарт IEEE 802.3z (1998 г.). Применяется та же стратегия, что и в сети Fast Ethernet: сохранены протокол CSMA/CD и формат кадра.

Изменен носитель. Спецификация IEEE 802.3z включает варианты:

• 1000 BASE-LX. Длинноволновый вариант: оптоволоконный многомо- довый кабель ∅ 62,5 μкм или 50 μкм длиной до 550 м или одномодовый кабель

∅ 10 μкм длиной до 5 км; дуплексные линии;

• 1000 BASE-SX. Коротковолновый вариант: оптоволоконный одномо- довый кабель ∅ 62,5 μкм длиной до 275 м или ∅50 μкм длиной до 550 м; дуп- лексные линии;

• 1000 BASE-CX. Специализированные экранированные кабели из витых пар протяженностью не более 25 м (медные перемычки). Каждая линия состоит

из отдельной витой пары, по которой данные передаются в обе стороны;

• 1000 BASE-T. Используются 4 неэкранированные витые пары катего- рии 5 для связи с устройствами до 100 м.

• кодовые слова не должны иметь более 4-х одинаковых битов подряд;

• в кодовых словах не должно быть более 6 нулей или 6 единиц. Почему так?

Во-первых, достаточное количество изменений в потоке данных обеспе- чивает синхронизацию приемника с передатчиком;

Предусмотрен контроль потока – посылка специального служебного кад- ра, сообщающего о том, что передающей стороне необходимо приостановиться. Непрекращающийся рост трафика способствовал появлению 10-

гигабитной сети Ethernet (стандарт IEEE 802.3 ac).

Вначале 10-гигабитную сеть Ethernet использовали в качестве ЛС. По ме- ре увеличения спроса на широкополосную связь технология 10-гигабитной сети Ethernet распространяется на серверные фермы, магистрали и ЛС, охватываю- щие комплексы зданий. Эта технология позволяет создавать региональные се- ти, соединяющие удаленные ЛС.

Стандарт Token Ring

Стандарт Token Ring был принят комитетом IEEE 802.5 в 1985 году.

Передающая среда – сегменты экранированной или неэкранированной витой пары, или оптоволокна, сопрягаемые в кольцо – общий разделяемый ре- сурс. Право на доступ к кольцу передается с помощью кадра специального формата, называемого маркером или токеном. В любой момент времени толь- ко одна станция в сети обладает правом доступа. Доступ передается цикличе- ски по логическому кольцу. Это детерминированный алгоритм доступа.

На рис. 3.8 доступ к среде иллюстрируется временной диаграммой, на ри- сунке показана передача пакета А в кольце от станции 1 к станции 3.

Получив маркер, станция анализирует его, при необходимости модифи- цирует и при отсутствии у нее данных для передачи транслирует к следующей станции. Станция, имеющая данные для передачи, при получении маркера изымает его из кольца, затем выдает в кольцо кадр данных установленного формата последовательно по битам. Переданные данные проходят по кольцу всегда в одном направлении от одной станции к другой.

Сети Token Ring работают с двумя битовыми скоростями – 4 Мб/с и 16 Мб/с. Сети Token Ring, работющие со скоростью 16 Мб/с, имеют некоторые усовершенствования в алгоритме доступа по сравнению со стандартом 4 Мб/с (алгоритмом раннего освобождения маркера). Смешение станций, работающих на различных скоростях, в одном кольце не допускается.

t1 Станция 1 получила

t2 t3 t4 Копирование пакета А в буфер станции 3. Отметка

t5 t6

t7 Изъятие пакета А

t8 Маркер получает

t9 Передача пакета В

в пакете о получении (*)

пакета станции 1

из кольца станция 2

Рис. 3.8. Принцип маркерного доступа

Каждая станция имеет механизмы обнаружения и устранения неисправ- ностей сети, возникающих в результате ошибок передачи или переходных яв- лений (например, при подключении и отключении станции).

Одна из станций обозначается как активный монитор, что означает до- полнительную ответственность по управлению кольцом.

Активный монитор выбирается, когда кольцо инициализируется.

В Token Ring существует три различных формата кадров: маpкеpа, кадpа данных, пpеpывающей последовательности.

Кадр маркера состоит из трех полей, каждое длиной в один байт.

• Поля начального и конечного ограничителей – в начале и в конце мар-

• Поле контроля доступа. Разделяется на четыре элемента данных:

Кадр данных состоит из нескольких групп полей: последовательность начала кадра; адрес получателя; адрес отправителя; данные; последователь- ность контроля кадра; последовательность конца кадра. Кадр данных может пе- реносить данные либо для управления кольцом (данные MAC-уровня), либо пользовательские данные (LLC-уровня).

Прерывающая последовательность состоит из двух байтов, содержа- щих начальный ограничитель и конечный ограничитель. Прерывающая после- довательность может появиться в любом месте потока битов и сигнализирует о том, что текущая передача кадра или маркера отменяется.

В конфигурации выделяют станции двух типов:

• станции, подключаемые к кольцу через концентратор. Обычно такими станциями являются компьютеры с установленными в них сетевыми адаптера-

ми. Концентраторы Token Ring делятся на активные и пассивные. Активные концентраторы поддерживают большие расстояния до станции, чем пассивные.

• станции сети, соединенные в кольцо непосредственными связями, называются магистральными (trunk cable). Обычно связи такого рода исполь-

зуются для соединения концентраторов друг с другом для образования общего кольца. Порты концентраторов, предназначенные для такого соединения, назы- ваются портами Ring-In и Ring-Out.

Кроме экранированной витой пары существуют сетевые адаптеры и кон- центраторы Token Ring, поддерживающие неэкранированную витую пару и оптоволокно.

Максимальное количество станций в одном кольце – 250.

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 во многом связаны со временем оборота маркера по кольцу. Одна- ко сети Token Ring можно настраивать, что позволяет построить сеть Token Ring с большим количеством станций и с большей длиной кольца.

Технология Fiber Distributed Data Interface – первая технология локаль- ных сетей, которая использовала в качестве среды передачи данных оптоволо- конный кабель (1986÷1988 гг). Тогда же появилось первое оборудование – се-

тевые адаптеры, концентраторы, мосты и маршрутизаторы, поддерживающие

FDDI остается наиболее отработанной высокоскоростной технологией. Технология FDDI во многом основывается на технологии Token Ring.

Разработчики технологии FDDI ставили перед собой следующие цели:

• повысить битовую скорость передачи данных до 100 Мб/с;

• повысить отказоустойчивость сети после отказов различного рода;

• максимально эффективно использовать пропускную способность сети как для асинхронного, так и для синхронного трафиков.

Сеть FDDI строится на основе двух оптоволоконных колец, которые об- разуют основной и резервный пути передачи данных между узлами сети. Узлы должны быть подключены к обоим кольцам. В нормальном режиме работы се-

Рис. 3.9. Реконфигурация колец FDDI при отказе

Операция свертывания производится силами концентраторов и/или сете- вых адаптеров FDDI. Данные по первичному кольцу всегда передаются против часовой стрелки, а по вторичному – по часовой. Сеть FDDI может полностью восстанавливать свою работоспособность в случае единичных отказов ее эле- ментов. При множественных отказах сеть распадается на несколько не связан- ных сетей.

Кольца в сетях FDDI рассматриваются как общая разделяемая среда пе- редачи данных. Метод очень близок к методу доступа сетей Token Ring и также называется методом маркерного (или токенного) кольца – Token ring.

В сети FDDI у каждой станции есть предшествующий сосед (upstream neighbour) и последующий сосед (downstream neighbour), определяемые ее фи- зическими связями и направлением передачи информации.

Если станция захватила токен и передает свои собственные кадры, то на протяжении этого периода времени она не транслирует приходящие кадры, а удаляет их из сети.

Если же адрес кадра совпадает с адресом станции, то она копирует кадр в свой внутренний буфер, проверяет его корректность (в основном, по контроль- ной сумме), передает его поле данных для последующей обработки протоколу, лежащего выше FDDI уровня (например, IP), а затем передает исходный кадр по сети последующей станции. В передаваемом в сеть кадре станция назначе- ния отмечает три признака: распознавания адреса, копирования кадра и от- сутствия или наличия в нем ошибок.

Технология Fibre Channel

Сеть представляет собой набор точек доступа с программной структурой протоколов, обеспечивающей обмен данными. Элементами сети Fibre Channel являются конечные элементы, называемые узлами (N – nodes), и набор комму- никационных элементов, называемый каркасом (F – fabric (рис. 3.10)).

Интерфейс Fibre Channel разработан для объединения лучших качеств обеих технологий – простоты и скорости каналов ввода-вывода и гибкости и взаимосвязанности сетевых технологий. Канал ввода-вывода – прямая двухто- чечная линия связи, аппаратно реализованная, высокая скорость ПД на корот- кие расстояния.

Рис. 3.10. Сеть Fibre Cannel

Элементы соединены двухточечными линиями между портами индивиду- альных узлов и коммутаторов. Взаимодействие состоит из передачи кадров по двунаправленным двухточечным линиям между портами.

Архитектура протоколов FCh включает 5 уровней.

FCh-0. Физический носитель – оптоволоконный кабель, ПД на большие расстояния; коаксиальный кабель для высоких скоростей на короткие расстоя- ния; экранированная витая пара для низких скоростей и коротких расстояний.

Скорости ПД от 100 Мбит/с до 3,2 Гбит/с. Расстояния от 33 м до 10 км.

FCh-1. Протокол ПД. Определяет схему кодирования сигнала (NRZI – потенциальный код с инверсией при единице).

FCh-2. Кадровый протокол. Имеет дело с определением форматов кадров, управлением потоком, контролем ошибок, группированием кадров в логиче- ские объекты, называемые последовательностями и обменами.

FCh-3. Общие службы. Сюда относят групповую рассылку.

FCh-4. Отображение. Определяет отображение на протоколы Fibre Chan- nel различных канальных и сетевых протоколов, включая IEEE802, ATM, IP и интерфейс SCSI (Small Computer Systems Interface – интерфейс малых компью- терных систем).

Соединение с кластерами

Читайте также: