Сети. 10. Архитектура сетей Ethernet (10 base 5, 10 base 2, 10 base t, 10 base f, Fast Ethernet 100, Gigabit Ethernet)

Вид материала

Содержание

AUI (Attachment Unit Interface)
Номер контакта
Номер контакта

Подобный материал:

Сети.10.Архитектура сетей Ethernet (10 BASE 5, 10 BASE 2, 10 BASE T, 10 BASE F, Fast Ethernet 100, Gigabit Ethernet).

Реализация 10BASE-5

10 – скорость передачи 10 Мбит

BASE – передача идет без частотной модуляции в основной частоте. На физическом уровне информация представлена манчестерским кодом.

5 и 2 – реализованы на коаксиальном кабеле. Физическая среда из сегментов 500 метров с точностью до 100 метров.

10BASE-5 основан на применении «толстого» коаксиального кабеля полужесткого типа (с волновым сопротивлением 50 Ом, диаметром центрального медного провода 2,17 мм и внешним диаметром около 10 мм) RG-8 или RG-11. Экран в кабеле сплошной (как волновод). RG-11 — центральная жила посеребрена, RG-8 — медная основная жила. Полихлорвинил — «желтый Ethernet». Изгибать нельзя, R_гибк = 500мм. По задержке 4,5 нс на 1м, затухание 8 дБ/км. В сегмент не более 500 метров. Для удлинения кабеля используют баррель-коннектор

Метод прокола — «разъем-вампир»

На концах кабеля имеются согласующие звенья — термисторы (резисторы). Сопротивление резистора с точностью до 5% (ставить в меньшую сторону). Лучше передавать аналоговый сигнал, чем цифровой для уменьшения широкополосных помех. Коаксиальный сегмент должен быть заземлен строго в одной точке — 0,05 В не выше 2,05 В для манчестерского кода разрешено.

Drop-кабель.

Drop-кабель не должен проходить параллельно коаксиальному кабелю и силовым проводам, иначе создается синфазная наводка. Модуль доступа имеет 15-контактный соединитель. Есть гальванически развязанная пара на передачу и прием, пара на управление (передача, сигнал о коллизии), пара, по которой поступает питание (трансформаторное преобразование). В Drop-кабеле каждая пара экранирована. Экранирована пара подачи питания. В жестких условиях применяются drop-кабели до 50 метров. Гибкие и более мягкие до 12,5 метров. Строится по правилу 3-4-5. Максимальная конфигурация 5 сегментов коаксиального кабеля.

Кабель используется как моноканал для всех станций. Сегмент кабеля максимальной длины 500 м (без повторителей) должен иметь на концах согласующие терминаторы («заглушки») сопротивлением 50 Ом, поглощающие распространяющиеся по кабелю сигналы и препятствующие возникновению отраженных сигналов. При отсутствии терминаторов в кабеле возникают стоячие волны, так что одни узлы получают мощные сигналы, а другие – настолько слабые, что их прием становится невозможным.

Кабель используется как моноканал для всех станций. Сегмент кабеля максимальной длины 500 м (без повторителей) должен иметь на концах согласующие терминаторы («заглушки») сопротивлением 50 Ом, поглощающие распространяющиеся по кабелю сигналы и препятствующие возникновению отраженных сигналов. При отсутствии терминаторов в кабеле возникают стоячие волны, так что одни узлы получают мощные сигналы, а другие – настолько слабые, что их прием становится невозможным.

Станция должна подключаться к кабелю при помощи приемопередатчика – трансивера (transmitter + receiver = transceiver). Трансивер устанавливается непосредственно на кабеле и питается от сетевого адаптера компьютера. Трансивер может подсоединяться к кабелю как методом прокалывания, обеспечивающим непосредственный физический контакт, так и бесконтактным методом.

Трансивер соединяется с сетевым адаптером интерфейсным кабелем AUI (Attachment Unit Interface) длиной до 50 м, состоящим из 4 витых пар (адаптер должен иметь разъем AUI). Наличие стандартного интерфейса между трансивером и остальной частью сетевого адаптера очень полезно при переходе с одного типа кабеля на другой. Для этого достаточно только заменить трансивер, а остальная часть сетевого адаптера остается неизменной, так как она отрабатывает протокол уровня MAC. При этом необходимо только, чтобы новый трансивер (например, трансивер для витой пары) поддерживал стандартный интерфейс AUI. Для присоединения к интерфейсу AUI используется разъем DB-15.

Допускается подключение к одному сегменту не более 100 трансиверов, причем расстояние между подключениями трансиверов не должно быть меньше 2,5 м. На кабеле имеется разметка через каждые 2,5 м, обозначающая точки подключения трансиверов. При подсоединении компьютеров в соответствии с разметкой влияние стоячих волн в кабеле на сетевые адаптеры сводится к минимуму.

Трансивер – это часть сетевого адаптера, которая выполняет следующие функции:

q прием и передача данных с кабеля на кабель;

q определение коллизий на кабеле;

q электрическая развязка между кабелем и остальной частью адаптера;

q защита кабеля от некорректной работы адаптера.

Последнюю функцию иногда называют контролем «болтливости», что является буквальным переводом соответствующего английского термина (jabber control). При возникновении неисправностей в адаптере может возникнуть ситуация, когда на кабель будет непрерывно выдаваться последовательность случайных сигналов. Так как кабель – это общая среда для всех станций, то работа сети будет заблокирована одним неисправным адаптером. Чтобы этого не случилось, на выходе передатчика ставится схема, которая проверяет время передачи кадра. Если максимально возможное время передачи пакета превышается (с некоторым запасом), то эта схема просто отсоединяет выход передатчика от кабеля. Максимальное время передачи кадра (вместе с преамбулой) равно 1221 мкс, а время jabber-контроля устанавливается равным 4000 мкс (4 мс).

Стандарт разрешает использование в сети не более 4 повторителей и, соответственно, не более 5 сегментов кабеля. При максимальной длине сегмента кабеля в 500 м это дает максимальную длину сети 10Base-5 в 2500 м. Только 3 сегмента из 5 могут быть нагруженными, то есть такими, к которым подключаются конечные узлы. Между нагруженными сегментами должны быть ненагруженные сегменты, так что максимальная конфигурация сети представляет собой два нагруженных крайних сегмента, которые соединяются ненагруженными сегментами еще с одним центральным нагруженным сегментом.

Правило применения повторителей в сети Ethernet 10Base-5 носит название правило 5-4-3: 5 сегментов, 4 повторителя, 3 нагруженных сегмента. Ограниченное число повторителей объясняется дополнительными задержками распространения сигнала, которые они вносят. Применение повторителей увеличивает время двойного распространения сигнала, которое для надежного распознавания коллизий не должно превышать время передачи кадра минимальной длины.

Каждый повторитель подключается к сегменту одним своим трансивером, поэтому к нагруженным сегментам можно подключить не более 99 узлов. Максимальное число конечных узлов в сети 10Base-5 таким образом составляет 99 х 3 = 297 узлов.

Коллизия — нормальное явление для сетей стандарта Ethernet. Уведомление о том, что канал свободен — отсутствие постоянной составляющей в канале. Минимальная длина кадра 512 интервалов.

Параметры протокола 10BASE-5:

Битовая скорость: 10 Мбит/с

Окно положения(интервал отсрочки, окно коллизии): 512 бит. интервалов

Межкадровый интервал (IPG): 96 бит

Максимальное число попыток интервалов передачи при обнаружении коллизии: 16

Максимальная длина случайной паузы: от 0 до 2¹⁹

Максимальная длина кадра: 1518 октетов

Длина преамбулы 8 октетов

преамбула обеспечивает побитовую и пооктетную синхронизацию

Максимальное число станций в сети: 297

Достоинства стандарта:

Высокозащищенная среда
Достаточно большое расстояние для локальных сетей (до 3 км)
Возможность относительно легкого перемещения абонента относительно точки доступа

Недостатки:

Высокая стоимость компонентов
Сложность прокладки
Специальный инструмент для монтажа
Надо заранее предусмотреть все возможные точки подключения
Трудность поиска неисправностей

Минимальный набор оборудования для односегментной сети:

Число сетевых адаптеров=числу компьютеров (максимум 100 на одном сегменте)
Сам толстый кабель N-типа с разъемами. Длина не более 500м.
Трансиверные 4-х парные специальные кабели
Сами трансиверы (модули доступа) по числу сетевых адаптеров

Реализация 10BASE-2

Стандарт 10Base-2 использует в качестве передающей среды коаксиальный кабель с диаметром центрального медного провода 0,89 мм и внешним диаметром около 5 мм («тонкий» Ethernet). Кабель имеет волновое сопротивление 50 Ом. Такими характеристиками обладают кабели марок RG-58 /U, RG-58 A/U, RG-58 C/U.

Кабель 58А — центральный проводник многожильный. Максимальная длина сегмента без повторителей составляет 185 м, сегмент должен иметь на концах согласующие терминаторы 50 Ом. Тонкий коаксиальный кабель дешевле толстого, поэтому сети 10Base-2 иногда называют сетями Cheaper-net (от cheaper – более дешевый). Но за дешевизну кабеля приходится расплачиваться качеством – «тонкий» коаксиал обладает худшей помехозащищенностью, худшей механической прочностью и более узкой полосой пропускания.

Отсутствует модуля доступа. Он «растворен» в Ethernet-карте. Карта заканчивается штыковым BNC-разъемом. Выходной разъем гальванически развязан с корпусом машины.

Общий вид сети стандарта 10BASE-2

Один из терминаторов должен быть заземлен. 5 пассивных сегментов длиной 185м с числом подключений 30. Реализация этого стандарта на практике приводит к наиболее простому решению для кабельной сети, так как для соединения компьютеров требуются только сетевые адаптеры, Т-коннекторы и терминаторы 50 Ом. Однако этот вид кабельных соединений наиболее сильно подвержен авариям и сбоям: кабель более восприимчив к помехам, чем «толстый» коаксиал, в моноканале имеется большое количество механических соединений (каждый Т-коннектор дает три механических соединения, два из которых имеют жизненно важное значение для всей сети), пользователи имеют доступ к разъемам и могут нарушить целостность моноканала. Кроме того, эстетика и эргономичность этого решения оставляют желать лучшего, так как от каждой станции через Т-коннектор отходят два довольно заметных провода, которые под столом часто образуют моток кабеля – запас, необходимый на случай даже небольшого перемещения рабочего места.

Общим недостатком стандартов 10Base-5 и 10Base-2 является отсутствие оперативной информации о состоянии моноканала. Повреждение кабеля обнаруживается сразу же (сеть перестает работать), но для поиска отказавшего отрезка кабеля необходим специальный прибор – кабельный тестер.

10 BASE T. Распайка кабеля

Стандартная распайка кабеля: В качестве разъема используется RJ-45. Максимальная длина кабеля может составлять 100 м.

Остальные пары проводов не используются.

+Tx – бело-оранжевый провод

–Тх – сплошной оранжевый провод

+Rx – бело-зеленый провод

–Rx – сплошной зеленый провод

До 1982 г. был распространен кабель 1 категории – использовался для передачи голоса и данных на скорости до 20 кбайт/сек. Позднее появился кабель 2 категории – его полоса была расширена до 1 МГц.

В 1991 г. появляется кабель 3 категории: полоса пропускания 16 МГц, волновое сопротивление 110 Ом, шаг скрутки – 1 виток на 10 см. Этот кабель использовался для передачи данных и голоса внутри офисных зданий и стал основой стандарта.

4 категория – обеспечивает меньшее затухание по сравнению с 3 категорией и имеет полосу 20 МГц.

5 категория: полоса пропускания – 100 МГц, волновое сопротивление – 100 Ом  15% (на 100 МГц), на длине 100 м на 100 МГц возможно затухание сигнала до 22 дБ. Активное сопротивление не более 9,4 Ом, емкость – 5600 пФ, перекрестные помехи не должны превышать -32 дБ на 100 МГц (гораздо больше, чем у коаксиального кабеля), задержка распространения сигнала = 5 нс/м. Из четырех витых пар для передачи данных используются две.

6 категория: полоса пропускания 200 МГц, возможно экранирование пар проводов.

7 категория: полоса пропускания 600 МГц, экранирована каждая витая пара и сам кабель.

6 и 7 категории используются редко, т.к. в этом случае лучше использовать оптоволокно.

Все эти кабели описаны в стандарте ISO 1180i.

Еще существует стандарт IBM на экранированные кабели (STP – shielded twisted pair)/ Эти кабели делятся на 9 типов – от TYPE 1 до TYPE 9.

TYPE 1: две витые пары, каждая экранирована – по частотным свойствам примерно 5 категория, но волновое сопротивление 150 Ом.

Ограничения на реализацию

Сеть стандарта 10BASE T имеет следующие ограничения на реализацию:

1) Среда передачи - неэкранированный кабель на основе витой пары (UTP - Unshielded Twisted Pair) категории 3 и выше. При этом задействуются 2 пары - одна на прием, вторая на передачу. Предельная полоса пропускания 16 Мгц, волновое сопротивление 110 Ом, шаг скрутки 1 виток на 10 см. Кабель широко используется за рубежом для передачи внутри коммерческих зданий.

2) Физическая топология «звезда». Это базовая топология компьютерной сети, в которой все компьютеры сети присоединены к центральному узлу (сетевой концентратор – хаб). В отличие от предыдущих систем, хаб отвечает за обнаружение коллизий. Если одновременно задействовано более одного порта хаба по приему информации, хаб выдает во все выходные формирователи сигнал-пробку. Отправителям нужно подождать случайный промежуток времени, чтобы возобновить передачу. Для обеспечения синхронизации станций при реализации процедур доступа CSMA/CD и надежного распознавания станциями коллизий в стандарте определено максимальное число концентраторов между любыми двумя станциями сети, а именно 4.

3) Длина кабеля между станцией и концентратором не более 100 м. Это расстояние определяется полосой пропускания витой пары – на длине 100 м она позволяет передавать данные со скоростью 10 Мбит/с при использовании манчестерского кода.

4) Максимальный диаметр сети не более 500 метров. Максимальная длина сети в 500 м здесь понимается как максимальное расстояние между любыми двумя конечными узлами сети (часто применяется также термин «максимальный диаметр сети»). Очевидно, что если между любыми двумя узлами сети не должно быть больше 4 повторителей, то максимальный диаметр сети 10Base-T составляет 5 х 100 = 500 м.

5) Количество станций в сети не более 1024. Общее количество станций в сети 10Base-T не должно превышать общего предела в 1024, и для данного типа физического уровня это количество действительно достижимо. Для этого достаточно создать двухуровневую иерархию концентраторов, расположив на нижнем уровне достаточное количество концентраторов с общим количеством портов 1024. Конечные узлы нужно подключить к портам концентраторов нижнего уровня. Правило 4 хабов при этом выполняется – между любыми конечными узлами будет ровно три концентратора.

10 BASE F. Организация световодов.

Оптоволокно

10BaseF подразделяют на 10BaseFL, 10BaseF… и 10BaseFD

Оптические Линии связи появились в начале 20в – семафорные линии

Один класс – наземная оптическая связь с использованием атмосферы и космического пространства. Так же существует другой класс – оптическая связь в закрытых средах – оптические световоды и кабели. Есть ограничения на мощность ….

Чтобы оно не вредило человеку

Недостатки:

Открытость связи – нестабильность канал из-за неоднородностей атмосферы (турбулентность)

Достоинства:

Дешевизна канала.

Для надежности передачи используются закрытые среды – трубоводные и оптические кабели на основании стекловолокна.

Здесь необходимо сначала установка оптических компонентов

Основным способом – на основе стекловолокна.

Если использование стало возможно, когда стали делать световолокна и появилась полупроводниковая лазерная техника.

Достоинства оптического кабеля.

Закрытая среда, защищенная от внешнего ЭМ излучений
Изготовление кабеля не требует большого числа затрат (используется только кварцевое стекло), не надо Pb и Cг
Широкая полезная полоса пропускания – сотни , тера ГЦ
Малые потери на высокой частоте передачи
Надежная техника безопасности (не будет ни искрения ни КЗ, а т.ж. обеспечение надежной гальваноразвязки)
Малые габаритны. размеры и масса кабеля
Низкая стоимость –

Кабель особенно эффективен для прокладки в условиях сильных ЭМ помех и защиты от несанкционированно доступа.

Недостатки:

Плохое противодействие проникающей радиации (темнеют)
Боятся влаги – трескаются от нее.

В обычных кабелях передача происходит по паре проводов (2-й провод м.б. землей) … правило если длинна волны l больше диаметра поперечного сечения провода, то мы имеем дело с 2-х проводниковым кабелем. Иначе, если d(диаметр) очень мал, то получаем волновой способ передачи (оптический кабель от d зависти то, как мы будем передавать сигнал – по одномодовому или по многомодовому способу. Если d = 50..62.5 микрона, то это многомодовый . Если d< 10 мкм – одномодовый способ.

Световод – композиция из трех слоев:

- Сердцевина – передающая волокно с диаметром примерно равному d

- второй слой с толщиной примерно 40 мкм – создает во внутренней оболочке условия полного отражения света, а так же устраняет помехи извне

- третий слой защитное конструктивное покрытие толщиной 200 мкм.

В результате общая толщина световода примерно 500 мкм = 0.5 мм

В качестве сердцевины чаще всего используют кварц или полимеры (т.ч. кварц-кварц или кварц - полимер)

полное отражение возникает при переходе из более плотной среды в менее плотную.

Расположение света в оптоволокне H1 > H2:

С определенного момента свет в наружную оболочку не проникает, т.е. с какого то момента луч в наружную оболочку проникать не будет, а будет распространяться в направлении волновода при угле

.

Сгибать оптоволокно можно до определенного радиуса изгиба. Для того, чтобы этот угол выдерживать, на входе лучи должны идти, не прерывая апертурного угла световода

. Чем меньше это соотношение, тем лучше, т.к. больше апертурный угол:

Если световод много модовый, то в зависимости от длины входящего светового потока, и путь, проходимый светом будет разный, т.е. при подаче на вход импульса, на выходе получим – синусоиду. Это явление препятствует увеличению скорости передачи данных. В одномодовых локальных сетях такого нету, т.к. там ведется передача по одной длине волны.

Оптоволоконный кабель применяется только для симплексной передачи данных, т.е. в одном направлении. Для передачи в обратном направлении используется еще одно оптоволокно. Дополнительно туда добавляют медную пару – для запитывания ретранслятора в канале.

В оптическом канале существует ослабление.

Кривая ослабления в зависимости от длины волны:

Для передачи выбирают окна, где коэффициент ослабления минимален – 1200 и 1500 Ангстрем. Применяется еще канал на 850Ангстрем – у дешевых приемников/передатчиков.

Оптоволоконный Ethernet с одним хабом имеет вид: (хаб в нем такой же, как и в 10 Base –T, но с оптическими портами):

Здесь также остается правило 4ех хабов. Главные потери возникают в соединителях световода, следовательно его поверность должна быть зеркально отполирована.. Возможно добавление схемы селекции по длительности (внутри ПУ) . Фотоприемник – может быть обычным планарным, но у них время реакции 10-6, а это слишком многа. Поэтому используют p – i – N диоды, которые обладат повышенным быстродействием (на уровне 10 -9, а могут достигать и до 10-18 c). Еще они имеют достаточно малую паразитную емкость (зависит от размеров). Диоды могут быть оптимизированы под конкретный спектр, диоды со встроенным фотоизлучателем – лавинные фотодиоды, но они работают медленнее – основаны на внутреннем фотоэффекте. Они обладают в сотни раз большей чувстительностью, изготовляются путем добавления к p – i – N диоду дополнительного n + слоя.

Fast Ethernet. 100 BASE Fx

Быстрый Ethernet

Когда-то казалось, что 10 Мбит/с — это просто фантастически высокая скорость. Однако мир меняется очень быстро. Постоянно ощущалась и продолжает ощущаться нехватка скорости и ширины канала. Для решения этих проблем различными компаниями было разработано множество оптоволоконных кольцевых ЛВС. Одна из таких систем называется FDDI (Fiber Distributed Data Interface — распределенный интерфейс передачи данных по волоконно-оптическим каналам), а другая — волоконный канал (Fibre Channel). Они обе использовались в магистральных сетях, но ни одна из них так и не стала доступна непосредственно конечному пользователю. В обоих случаях управление станциями осуществлялось очень сложными методами, что привело к необходимости создания дорогостоящих, сложных микросхем.

После неудачной попытки создания волоконно-оптических локальных сетей возникло множество Ethernet-сетей, работающих со скоростями свыше 10 Мбит/с. Многим приложениям требовалась высокая пропускная способность, и поэтому появились 10-мегабитные ЛВС, связанные лабиринтами кабелей, повторителей, мостов, маршрутизаторов и шлюзов. Сетевым администраторам иногда казалось, что система держится еле-еле и может развалиться от любого прикосновения.

Вот при таких обстоятельствах в 1992 году институт IEEE начал пересмотр стандартов и дал заказ комитету 802.3 выработать спецификацию более быстрых сетей. Одно из предложений состояло в том, чтобы сохранить 802.3 без изменений и просто увеличить скорость работы. Другое заключалось в том, чтобы полностью его переделать, снабдить новым набором функций — например, обеспечить возможность передачи данных реального времени, оцифрованной речи. При этом предлагалось сохранить старое название стандарта. Комитет решил все-таки изменить лишь скорость работы 802.3, а все остальные параметры оставить прежними. Сторонники хлопнули дверью, организовали собственный комитет и разработали свой стандарт (собственно, 802.12), который, впрочем, с треском провалился.

Комитет 802.3 решил продолжить линию старого доброго Ethernet по следующим трем соображениям.

1. Необходимость обратной совместимости с существующими ЛВС Ethernet.

2. Боязнь того, что в новом протоколе могут вскрыться неожиданные проблемы.

3. Желание успеть переделать стандарт до того, как изменится технология в целом.

Работа шла довольно быстро, и уже в июне 1995 года официально объявили о создании стандарта 802.3и. С технической точки зрения, в нем нет ничего нового по сравнению с предыдущей версией. Честнее было бы назвать это не новым стандартом, а расширением 802.3 (чтобы еще больше подчеркнуть обратную совместимость с ним).

Основная идея быстрого Ethernet : оставить без изменений все старые форматы кадров, интерфейсы, процедуры и лишь уменьшить битовый интервал со 100 нс до 10 нс. Преимущества проводки 10Base-T были столь неоспоримы, что практически все системы типа «быстрый Ethernet» в результате были построены именно на этом типе кабеля. Таким образом, в быстром Ethernet используются исключительно концентраторы (хабы) и коммутаторы.

Однако некоторые технические решения все же необходимо было принять. Самый важный вопрос заключался в том, какие типы кабелей поддерживать. Одним из претендентов была витая пара категории 3. Основным аргументом в его пользу было то, что практически все западные офисы уже были оборудованы по крайней мере четырьмя витыми парами категории 3 (а то и лучше): они использовались в телефонных линиях, и их длина (до ближайшего телефонного щита) составляла не более 100 м. Иногда можно было встретить два таких кабеля.

Было лишь одно неудобство: витые пары третьей категории неспособны передавать сигналы, изменяющиеся со скоростью 200 мегабод (100 Мбит/с с манчестерским кодированием) на 100 м (именно таково максимальное расстояние между компьютером и концентратором, установленное стандартом для 10Base-T). Витые пары категории 5 с такой задачей справились бы без всяких проблем, а для оптоволокна это и вовсе смешная цифра. Надо было найти какой-то компромисс. Не мудрствуя лукаво, комитет 802.3 разрешил применять все три типа кабелей, как показано в табл. 4.2, с условием, что решения на основе витой пары третьей категории будут чуть живее и смогут обеспечить необходимую емкость канала

В сетях Fast Ethernet максимальное значение окна коллизий равно 5,12 мксек и называется временем канала (slot time). Это время в точности соответствует минимальной длине пакета в 64 байта. Для более короткого пакета коллизия может быть не зафиксирована. Окно коллизий представляет собой время от начала передачи первого бита кадра до потери возможности регистрации коллизии с любым узлом сегмента, это время равно удвоенной задержке распространения сигнала между узлами (RTT). Конфигурация сети Fast Ethernet, для которой значение окна коллизий превышает время канала, не верна. Время канала задает величину минимального размера кадра и максимальный диаметр сети.

В сетях 100-мегагерцного Ethernet используются повторители двух классов (I и II). Задержки сигналов в повторителях класса I больше (~140нс), зато они преобразуют входные сигналы в соответствии с регламентациями применяемыми при работе с цифровыми кодами. Такие повторители могут соединять каналы, отвечающие разным требованиям, например, 100BASE-TX и 100BASE-T4 или 100BASE-FX. Преобразование сигнала может занимать время, соответствующее передаче нескольких бит, поэтому в пределах одного логического сегмента может быть применен только один повторитель класса I, если кабельные сегменты имеют предельную длину. Повторители часто имеют встроенные возможности управления с использованием протокола SNMP.

Повторители класса II имеют небольшие задержки (~90нс или даже меньше), но никакого преобразования сигналов здесь не производится, и по этой причине они могут объединять только однотипные сегменты. Логический сегмент может содержать не более двух повторителя класса II, если кабели имеют предельную длину. Повторители класса II не могут объединять сегменты разных типов, например, 100BASE-TX и 100BASE-T4. . Согласно требованиям комитета IEEE время задержки сигнала JAM в повторителе Fast Ethernet (TX и FX) не должно превышать 460 нсек, а для 100BASE-T4 – 670 нсек.

100Base-FX, использует два оптических многомодовых кабеля (отвечающие требованиям стандарта ANSI), по одному для передачи в каждом направлении, то есть также полный дуплекс на скорости 100 Мбит/с в каждом направлении. Кроме того, расстояние между станциями при этом может достигать 2 км. Мультимодовое волокно 62,5/125m (см. выше) работает в инфракрасном диапазоне 1350нм.

Предельное ослабление сигнала в волокне не должно превышать 11 дБ, стандартный кабель имеет 1-5 дБ/км. Оптические разъемы должны отвечать тем же требованиям, что и разъемы, используемые в FDDI-сетях (MIC - Media Interface Connector).

Поскольку оптоволоконные кабели системы 100Base-FX слишком длинны для алгоритма столкновений, стандартного для сети Ethernet, их следует присоединять к буферированным коммутируемым концентраторам, так чтобы каждый кабель представлял собой отдельную область столкновений.

Устройство системы 100Base-TX (стандарт ANSI TP-PMD), использующей витые пары категории 5 (волновое сопротивление 100-150 Ом), проще, так как кабели этого типа могут работать с сигналами на частоте 125 МГц. Поэтому для каждой станции используются только две витые пары: одна к концентратору, другая от него. Прямое битовое кодирование не используется. Вместо него имеется специальная система кодирования, называемая 4В/5В. Она является последователем FDDI и совместима с ней. Каждая группа из четырех тактовых интервалов, каждый из которых содержит один из двух сигнальных значений, образует 32 комбинации. 16 из них используются для передачи четырехбитных групп 0000, 0001, 0010…1111. Оставшиеся 16 используются для служебных целей — например, для маркировки границ кадров. Используемые комбинации тщательно подбирались с целью обеспечения достаточного количества передач для поддержки синхронизации с тактогенератором. Система 100Base-TX является полнодуплексной, станции могут передавать на скорости 100 Мбит/с и одновременно принимать на той же скорости. Зачастую кабели 100Base-TX и 100Base-T4 называют просто 100Base-T. Провода должны быть скручены по всей длине, скрутка может быть прервана не далее как в 12мм от разъема.

При работе со скрученными парами (стандарт TX) используется 8-контактный разъем RJ-45 со следующим назначением контактов:

Номер контакта	Назначение сигнала	Номер контакта	Назначение сигнала
1	Передача +	5	Не используется
2	Передача -	6	Прием -
3	Прием +	7	Не используется
4	Не используется	8	Не используется

Если используются экранированные пары и 9-контактный разъем “D”-типа, то назначение контактов следующее:

Контакт 1	Прием +
Контакт 5	Передача +
Контакт 6	Прием -
Контакт 9	Передача -

В схеме 100Base-4T, используют четыре скрученные пары телефонного качества (экранированные и неэкранированные скрученные пары проводов категории 3, 4 или 5), сигнальная скорость составляет 25 МГц, что лишь на 25 % больше, чем 20 МГц стандарта Ethernet (в манчестерском кодировании, требуется удвоенная частота). Чтобы достичь требуемой пропускной способности, в схеме 100Base-4T применяются четыре витые пары. Провода должны быть скручены по всей длине, скрутка может быть прервана не далее как в 12мм от разъема.

Из четырех витых пар одна всегда направляется на концентратор, одна — от концентратора, а две оставшиеся переключаются в зависимости от текущего направления передачи данных. Для достижения скорости 100 Мбит/с от манчестерского кодирования пришлось отказаться, однако, учитывая сегодняшние

тактовые частоты и небольшие расстояния между станциями ЛВС, без него вполне можно обойтись. Кроме того, по линии посылаются троичные сигналы, то есть 0, 1 или 2. При использовании трех витых пар в направлении передачи данных это означало передачу 1 из 27 возможных символов за один такт, то есть 4 бита плюс некоторая избыточность, что при тактовой частоте в 25 МГц как раз и составляет требуемые 100 Мбит/с. Кроме того, есть еще обратный канал, работающий на скорости 33,3 Мбит/с по оставшейся витой паре. Такая схема, известна как 8В/6Т (8 битов в виде 6 троичных цифр).

Для стандарта 100BASE-T4 назначение контактов приведено в таблице.

Разъем MDI (Media Dependant Interface) кабеля 100BASE-T4

Номер контакта	Назначение сигнала	Цвет провода
1	TX_D1 + (передача)	Белый/оранжевый
2	TX_D1 -	Оранжевый/белый
3	RX_D2 + (прием)	Белый/зеленый
4	BI_D3 + (двунаправленная)	Голубой/белый
5	BI_D3 -	Белый/голубой
6	RX_D2 -	Зеленый/белый
7	BI_D4 +	Белый/коричневый
8	BI_D4 -	Коричневый/белый

Пары 2 и 3 также как и в ТХ предназначены для приема и передачи данных. Пары 1 и 4 используются в двух направлениях, преобразуя канал между узлом и повторителем в полудуплексную. В процессе передачи узел использует пары 1, 2 и 4, а повторитель – пары 1, 3 и 4. Следует заметить, что схема Т4, в отличие от ТХ, может работать только в полудуплексном режиме.

Схема подключения и передачи сигналов в сетях 100BASE-T4 показана на рис.

Gigabit Ethernet

Гигабитная сеть Ethernet

Только, только родился стандарт быстрого Ethernet, как комитет 802 приступил к работе над новой версией (1995). Ее почти сразу окрестили гигабитной сетью Ethernet, а в 1998 году новый стандарт был уже ратифицирован IEEE под официальным названием 802.3z. Тем самым разработчики подчеркнули, что это последняя разработка в линейке 802. Ключевые свойства гигабитного Главные предпосылки создания 802.3z были те же самые, что и при создании 802.3и, — повысить в 10 раз скорость, сохранив обратную совместимость со старыми сетями Ethernet. В частности, гигабитный Ethernet должен был обеспечить дейтаграммный сервис без подтверждений как при односторонней, так и при групповой передаче. При этом необходимо было сохранить неизменными 48-битную схему адресации и формат кадра, включая нижние и верхние ограниче-

ния его размера. Новый стандарт удовлетворил всем этим требованиям. Гигабитные сети Ethernet строятся по принципу «точка — точка», в них не применяется моноканал, как в исходном 10-мегабитном Ethernet, который теперь, кстати, величают классическим Ethernet. Простейшая гигабитная сеть, показанная на рис. 4.20, а, состоит из двух компьютеров, напрямую соединенных друг с другом. В более общем случае, однако, имеется коммутатор или концентратор, к которому подсоединяется множество компьютеров, возможна также установка дополнительных коммутаторов или концентраторов (рис. 4.20, б). Но в любом случае к одному кабелю гигабитного Ethernet всегда присоединяются два устройства, ни больше, ни меньше.

Рис. 4.20. Сеть Ethernet, состоящая из двух станций (а); сеть Ethernet, состоящая из множества станций (б)

Гигабитный Ethernet может работать в двух режимах: полнодуплексном и полудуплексном. «Нормальным» считается полнодуплексный, при этом трафик может идти одновременно в обоих направлениях. Этот режим используется, когда имеется центральный коммутатор, соединенный с периферийными компьютерами или коммутаторами. В такой конфигурации сигналы всех линий буферизируются, поэтому абоненты могут отправлять данные, когда им вздумается. Отправитель не прослушивает канал, потому что ему не с кем конкурировать. На линии между компьютером и коммутатором компьютер — это единственный потенциальный отправитель; передача произойдет успешно даже в том случае, если одновременно с ней ведется передача со стороны коммутатора (линия полнодуплексная). Так как конкуренции в данном случае нет, протокол CSMA/CD не применяется, поэтому максимальная длина кабеля определяется исключительно мощностью сигнала, а вопросы времени распространения шумового всплеска здесь не встают. Коммутаторы могут работать на смешанных скоростях; более того, они автоматически выбирают оптимальную скорость. Самонастройка поддерживается так же, как и в быстром Ethernet. Полудуплексный режим работы используется тогда, когда компьютеры соединены не с коммутатором, а с концентратором. Хаб не буферизирует входящие кадры. Вместо этого он электрически соединяет все линии, симулируя моноканал обычного Ethernet. В этом режиме возможны коллизии, поэтому применяется CSMA/CD. Поскольку кадр минимального размера (то есть 64-байтный) может передаваться в 100 раз быстрее, чем в классической сети Ethernet, максимальная длина сегмента должна быть соответственно уменьшена в 100 раз. Она составляет 25 м — именно при таком расстоянии между станциями шумовой всплеск гарантированно достигнет отправителя до окончания его передачи. Если бы кабель имел длину 2500 м, то отправитель 64-байтного кадра при 1 Гбит/с успел бы много чего наделать даже за то время, пока его кадр прошел только десятую часть пути в одну сторону, не говоря уже о том, что сигнал должен еще и вернуться обратно.

Комитет разработчиков стандарта 802.3z совершенно справедливо заметил, что 25 м — это неприемлемо малая длина, и ввел два новых свойства, позволивших расширить радиус сегментов. Первое называется расширением носителя. Заключается это расширение всего-навсего в том, что аппаратура вставляет собственное поле заполнения, растягивающее нормальный кадр до 512 байт. Поскольку это поле добавляется отправителем и изымается получателем, то программному обеспечению нет до него никакого дела. Конечно, тратить 512 байт на передачу 46 байт — это несколько расточительно с точки зрения эффективности использования пропускной способности. Эффективность такой передачи составляет всего 9 %. Второе свойство, позволяющее увеличить допустимую длину сегмента, — это пакетная передача кадров. Это означает, что отправитель может посылать не единичный кадр, а пакет, объединяющий в себе сразу много кадров. Если полная длина пакета оказывается менее 512 байт, то, как в предыдущем случае, производится аппаратное заполнение фиктивными данными. Если же кадров, ждущих передачу, хватает на то, чтобы заполнить такой большой пакет, то работа системы оказывается очень эффективной. Такая схема, разумеется, предпочтительнее расширения носителя. Эти методы позволили увеличить максимальную длину сегмента до 200 м, что, наверное, для организаций уже вполне приемлемо. Трудно представить себе организацию, которая потратила бы немало усилий и средств на установку плат для высокопроизводительной гигабитной сети Ethernet, а потом соединила бы компьютеры концентраторами, симулирующими работу классического Ethernet со всеми его коллизиями и прочими проблемами. Концентраторы, конечно, дешевле коммутаторов, но интерфейсные платы гигабитного Ethernet все равно относительно дороги, поэтому экономия на покупке концентратора вместо коммутатора себя не оправдывает. Кроме того, это резко снижает производительность, и становится вообще непонятно, зачем было тратить деньги на гигабитные платы. Однако обратная совместимость — это нечто священное в компьютерной индустрии, поэтому, несмотря ни на что, в 802.3z подобная возможность предусматривается. Гигабитный Ethernet поддерживает как медные, так и волоконно-оптические кабели, что отражено в табл. 4.3. Работа на скорости 1 Гбит/с означает, что источник света должен включаться и выключаться примерно раз в наносекунду.

Светодиоды просто не могут работать так быстро, поэтому здесь необходимо применять лазеры. Стандартом предусматриваются две операционных длины волны: 0,85 мкм (короткие волны) и 1,3 мкм (длинные). Лазеры, рассчитанные на 0,85 мкм, дешевле, но не работают с одномодовыми кабелями.

Официально допускается использование трех диаметров волокна: 10, 50 и 62,5 мкм. Первое предназначено для одномодовой передачи, два других — для многомодовой. Не все из шести комбинаций являются разрешенными, а максимальная длина сегмента зависит как раз от выбранной комбинации. Числа, приведенные в табл. 4.3, — это наилучший случай. В частности, пятикилометровый кабель можно использовать только с лазером, рассчитанным на длину волны 1,3 мкм и работающим с 10-микрометровым одномодовым волокном. Такой ва-

риант, видимо, является наилучшим для магистралей разного рода кампусов и производственных территорий. Ожидается, что он будет наиболее популярным несмотря на то, что он самый дорогой. 1000Base-CX использует короткий экранированный медный кабель. Проблема в том, что его поджимают конкуренты как сверху (1000Base-LX), так и снизу (1000Base-T). В результате сомнительно, что он завоюет широкое общественное

признание. Наконец, еще один вариант кабеля — это пучок из четырех неэкранированных витых пар. Поскольку такая проводка существует почти повсеместно, то, похоже, это будет «гигабитный Ethernet для бедных».

Новый стандарт использует новые правила кодирования сигналов, передающихся по оптоволокну. Манчестерский (4В/5В) код при скорости передачи данных 1 Гбит/с потребовал бы скорости изменения сигнала в 2 Гбод. Это слишком сложно и занимает слишком большую долю пропускной способности. Вместо манчестерского кодирования применяется схема, называющаяся 8В/10В. Как нетрудно догадаться по названию, каждый байт, состоящий из 8 бит, кодируется для передачи по волокну десятью битами. Поскольку возможны 1024 результирующих кодовых слова для каждого входящего байта, данный метод дает некоторую свободу

выбора кодовых слов. При этом принимаются в расчет следующие правила:

• ни одно кодовое слово не должно иметь более четырех одинаковых битов подряд;

• нив одном кодовом слове не должно быть более шести нулей или шести единиц.

Почему именно такие правила? Во-первых, они обеспечивают достаточное количество изменений состояния в потоке данных, необходимое для того, чтобы приемник оставался синхронизированным с передатчиком. Во-вторых, количество нулей и единиц стараются примерно выровнять. К тому же многие входящие байты имеют два возможных кодовых слова, ассоциированных с ними. Когда кодирующее устройство имеет возможность выбора кодовых слов, оно, вероятно, выберет из них то, которое сравняет число нулей и единиц. Сбалансированному количеству нулей и единиц потому придается такое значение, что необходимо держать постоянную составляющую сигнала на как можно более низком уровне. Тогда она сможет пройти через преобразователи без изменений. Люди, занимающиеся компьютерной наукой, не в восторге от того, что

преобразовательные устройства диктуют те или иные правила кодирования сигналов, но жизнь есть жизнь.

Гигабитный Ethernet, построенный на 1000Base-T, использует иную схему кодирования, поскольку изменять состояние сигнала в течение 1 не для медного кабеля затруднительно. Здесь применяются 4 витые пары категории 5, что дает возможность параллельно передавать 4 символа. Каждый символ кодируется одним из пяти уровней напряжения Чтобы вписать 1Гц в 4 витые пары применяется код РАМ5. Число из 8 бит передается пятеричное число – код с основанием 5. Таким образом, один сигнал может означать 00, 01, 10 или 11. Есть еще специальное, служебное значение напряжения. На одну витую пару приходится 2 бита данных, соответственно, за один временной интервал система передает 8 бит по 4 витым парам. Тактовая частота равна

125 МГц, что позволяет работать со скоростью 1 Гбит/с. Пятый уровень напряжения был добавлен для специальных целей — кадрирования и управления. 1 Гбит/с — это довольно много. Например, если приемник отвлечется на какоето дело в течение 1 мс и при этом забудет/не успеет освободить буфер, это означает, что он «проспит» примерно 1953 кадра. Может быть и другая ситуация: один компьютер выдает данные по гигабитной сети, а другой принимает их по классическому Ethernet. Вероятно, первый быстро завалит данными второго.

В первую очередь переполнится буфер обмена. Исходя из этого было принято решение о внедрении в систему контроля потока (так было и в быстром Ethernet, хотя эти системы довольно сильно различаются). Для реализации контроля потока одна из сторон посылает служебный кадр, сообщающий о том, что второй стороне необходимо приостановиться на некоторое время. Служебные кадры — это, на самом деле, обычные кадры Ethernet, в поле Туре которых записано 0x8808. Первые два байта поля данных — командные, а последующие, по необходимости, содержат параметры команды. Для контроля потока используются кадры типа PAUSE, причем в качестве параметра указывается продолжительность паузы в единицах времени передачи минимального кадра. Для гигабитного Ethernet такая единица равна 512 не, а паузы могут длиться до 33,6 мс.

Гигабитный Ethernet был стандартизован, и комитет 802 заскучал. Тогда IEEE предложил ему начать работу над 10-гигабитным Ethernet. Начались долгие попытки найти в английском алфавите какую-нибудь букву после z. Когда стало очевидно, что такой буквы нет в природе, от старого подхода решено было отказаться и перейти к двухбуквенным индексам. Так в 2002 году появился стандарт802.3ае. Судя по всему, появление 100-гигабитного Ethernet уже тоже не за горами.

Еще несколько слов ( выдержек из лекций) которые здесь не упомянались

Возникли проблемы: В нем сохранили витую пару 100 м, а при этом время на разрешения коммутаций уже не хватает

Эхоподавление(для дуплекса) до 1 Гц и каждая пара используется на всю ширину своей полосы в оба направления

в любом случае – дуплексный или полудуплексный- сигнал передается по всем 4-м витым парам

Есть 3 среды, в которых может работать:

Оптоволокно
Коаксиальный кабель
Витая пара категории 5е минимум, а лучше 6.

Может использоваться 2 или 4 коаксиальных пары. И возможное расстояние примерно равно 25 м. им объединяются например рядом стоящие серваки.

Так же задается количество нулей и единиц, что сохранит самосинхронизацию.

Blog

Сети. 10. Архитектура сетей Ethernet (10 base 5, 10 base 2, 10 base t, 10 base f, Fast Ethernet 100, Gigabit Ethernet)

Содержание