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

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

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

Архитектура стандарта Fast Ethernet

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

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

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

Физические интерфейсы Fast Ethernet

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

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

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

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

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

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

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

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

Типы устройств Fast Ethernet

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

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

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

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

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

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

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

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

Наибольшее распространение среди стандартных сетей получила сеть Ethernet. Впервые она появилась в 1972 году (разработчиком выступила известная фирма Xerox). Сеть оказалась довольно удачной, и вследствие этого ее в 1980 году поддержали такие крупнейшие компании, как DEC и Intel (объединение этих компаний назвали DIX по первым буквам их названий). Их стараниями в 1985 году сеть Ethernet стала международным стандартом, ее приняли крупнейшие международные организации по стандартам: комитет 802 IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) и ECMA (European Computer Manufacturers Association).

Стандарт получил название IEEE 802.3 (по-английски читается как eight oh two dot three). Он определяет множественный доступ к моноканалу типа шина с обнаружением конфликтов и контролем передачи, то есть с уже упоминавшимся методом доступа CSMA/CD. Этому стандарту удовлетворяли и некоторые другие сети, так как уровень его детализации невысок. В результате сети стандарта IEEE 802.3 нередко были несовместимы между собой как по конструктивным, так и по электрическим характеристикам. Однако в последнее время стандарт IEEE 802.3 считается стандартом именно сети Ethernet.

Основные характеристики первоначального стандарта IEEE 802.3:

• топология – шина;
• среда передачи – коаксиальный кабель;
• скорость передачи – 10 Мбит/с;
• максимальная длина сети – 5 км;
• максимальное количество абонентов – до 1024;
• длина сегмента сети – до 500 м;
• количество абонентов на одном сегменте – до 100;
• метод доступа – CSMA/CD;
• передача узкополосная, то есть без модуляции (моноканал).

Строго говоря, между стандартами IEEE 802.3 и Ethernet существуют незначительные отличия, но о них обычно предпочитают не вспоминать.

Сеть Ethernet сейчас наиболее популярна в мире (более 90% рынка), предположительно таковой она и останется в ближайшие годы. Этому в немалой степени способствовало то, что с самого начала характеристики, параметры, протоколы сети были открыты, в результате чего огромное число производителей во всем мире стали выпускать аппаратуру Ethernet, полностью совместимую между собой.

В классической сети Ethernet применялся 50-омный коаксиальный кабель двух видов (толстый и тонкий). Однако в последнее время (с начала 90-х годов) наибольшее распространение получила версия Ethernet, использующая в качестве среды передачи витые пары. Определен также стандарт для применения в сети оптоволоконного кабеля. Для учета этих изменений в изначальный стандарт IEEE 802.3 были сделаны соответствующие добавления. В 1995 году появился дополнительный стандарт на более быструю версию Ethernet, работающую на скорости 100 Мбит/с (так называемый Fast Ethernet, стандарт IEEE 802.3u), использующую в качестве среды передачи витую пару или оптоволоконный кабель. В 1997 году появилась и версия на скорость 1000 Мбит/с (Gigabit Ethernet, стандарт IEEE 802.3z).

Помимо стандартной топологии шины все шире применяются топологии типа пассивная звезда и пассивное дерево. При этом предполагается использование репитеров и репитерных концентраторов, соединяющих между собой различные части (сегменты) сети. В результате может сформироваться древовидная структура на сегментах разных типов (рис. 7.1).

Рис. 7.1. Классическая топология сети Ethernet

В качестве сегмента (части сети) может выступать классическая шина или единичный абонент. Для шинных сегментов используется коаксиальный кабель, а для лучей пассивной звезды (для присоединения к концентратору одиночных компьютеров) – витая пара и оптоволоконный кабель. Главное требование к полученной в результате топологии – чтобы в ней не было замкнутых путей (петель). Фактически получается, что все абоненты соединены в физическую шину, так как сигнал от каждого из них распространяется сразу во все стороны и не возвращается назад (как в кольце).

Максимальная длина кабеля сети в целом (максимальный путь сигнала) теоретически может достигать 6,5 километров, но практически не превышает 3,5 километров.

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).

Для передачи информации в сети Ethernet применяется стандартный манчестерский код.

Доступ к сети Ethernet осуществляется по случайному методу CSMA/CD, обеспечивающему равноправие абонентов. В сети используются пакеты переменной длины со структурой, представленной на рис. 7.2. (цифры показывают количество байт)

Рис. 7.2. Структура пакета сети Ethernet

Длина кадра Ethernet (то есть пакета без преамбулы) должна быть не менее 512 битовых интервалов или 51,2 мкс (именно такова предельная величина двойного времени прохождения в сети). Предусмотрена индивидуальная, групповая и широковещательная адресация.

В пакет Ethernet входят следующие поля:

• Преамбула состоит из 8 байт, первые семь представляют собой код 10101010, а последний байт – код 10101011. В стандарте IEEE 802.3 восьмой байт называется признаком начала кадра (SFD – Start of Frame Delimiter) и образует отдельное поле пакета.
• Адреса получателя (приемника) и отправителя (передатчика) включают по 6 байт и строятся по стандарту, описанному в разделе Адресация пакетов лекции 4. Эти адресные поля обрабатываются аппаратурой абонентов.
• Поле управления (L/T – Length/Type) содержит информацию о длине поля данных. Оно может также определять тип используемого протокола. Принято считать, что если значение этого поля не больше 1500, то оно указывает на длину поля данных. Если же его значение больше 1500, то оно определяет тип кадра. Поле управления обрабатывается программно.
• Поле данных должно включать в себя от 46 до 1500 байт данных. Если пакет должен содержать менее 46 байт данных, то поле данных дополняется байтами заполнения. Согласно стандарту IEEE 802.3, в структуре пакета выделяется специальное поле заполнения (pad data – незначащие данные), которое может иметь нулевую длину, когда данных достаточно (больше 46 байт).
• Поле контрольной суммы (FCS – Frame Check Sequence) содержит 32-разрядную циклическую контрольную сумму пакета (CRC) и служит для проверки правильности передачи пакета.

Таким образом, минимальная длина кадра (пакета без преамбулы) составляет 64 байта (512 бит). Именно эта величина определяет максимально допустимую двойную задержку распространения сигнала по сети в 512 битовых интервалов (51,2 мкс для Ethernet или 5,12 мкс для Fast Ethernet). Стандарт предполагает, что преамбула может уменьшаться при прохождении пакета через различные сетевые устройства, поэтому она не учитывается. Максимальная длина кадра равна 1518 байтам (12144 бита, то есть 1214,4 мкс для Ethernet, 121,44 мкс для Fast Ethernet). Это важно для выбора размера буферной памяти сетевого оборудования и для оценки общей загруженности сети.

Выбор формата преамбулы не случаен. Дело в том, что последовательность чередующихся единиц и нулей (101010…10) в манчестерском коде характеризуется тем, что имеет переходы только в середине битовых интервалов (см. раздел 2.6.3), то есть только информационные переходы. Безусловно, приемнику просто настроиться (синхронизоваться) при такой последовательности, даже если она по какой-то причине укорачивается на несколько бит. Последние два единичные бита преамбулы (11) существенно отличаются от последовательности 101010…10 (появляются переходы еще и на границе битовых интервалов). Поэтому уже настроившийся приемник легко может выделить их и детектировать тем самым начало полезной информации (начало кадра).

Для сети Ethernet, работающей на скорости 10 Мбит/с, стандарт определяет четыре основных типа сегментов сети, ориентированных на различные среды передачи информации:

• 10BASE5 (толстый коаксиальный кабель);
• 10BASE2 (тонкий коаксиальный кабель);
• 10BASE-T (витая пара);
• 10BASE-FL (оптоволоконный кабель).

Наименование сегмента включает в себя три элемента: цифра 10 означает скорость передачи 10 Мбит/с, слово BASE – передачу в основной полосе частот (то есть без модуляции высокочастотного сигнала), а последний элемент – допустимую длину сегмента: 5 – 500 метров, 2 – 200 метров (точнее, 185 метров) или тип линии связи: Т – витая пара (от английского twisted-pair), F – оптоволоконный кабель (от английского fiber optic).

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).

Здесь цифра 100 означает скорость передачи 100 Мбит/с, буква Т – витую пару, буква F – оптоволоконный кабель. Типы 100BASE-TX и 100BASE-FX иногда объединяют под именем 100BASE-X, а 100BASE-T4 и 100BASE-TX – под именем 100BASE-T.

Подробнее особенности аппаратуры Ethernet, а также алгоритма управления обменом CSMA/CD и алгоритма вычисления циклической контрольной суммы (CRC) будут рассмотрены далее в специальных разделах курса. Здесь следует отметить только то, что сеть Ethernet не отличается ни рекордными характеристиками, ни оптимальными алгоритмами, она уступает по ряду параметров другим стандартным сетям. Но благодаря мощной поддержке, высочайшему уровню стандартизации, огромным объемам выпуска технических средств, Ethernet выгодно выделяется среди других стандартных сетей, и поэтому любую другую сетевую технологию принято сравнивать именно с Ethernet.

Развитие технологии Ethernet идет по пути все большего отхода от первоначального стандарта. Применение новых сред передачи и коммутаторов позволяет существенно увеличить размер сети. Отказ от манчестерского кода (в сети Fast Ethernet и Gigabit Ethernet) обеспечивает увеличение скорости передачи данных и снижение требований к кабелю. Отказ от метода управления CSMA/CD (при полнодуплексном режиме обмена) дает возможность резко повысить эффективность работы и снять ограничения с длины сети. Тем не менее, все новые разновидности сети также называются сетью Ethernet.

Сеть Token-Ring

Сеть Token-Ring (маркерное кольцо) была предложена компанией IBM в 1985 году (первый вариант появился в 1980 году). Она предназначалась для объединения в сеть всех типов компьютеров, выпускаемых IBM. Уже тот факт, что ее поддерживает компания IBM, крупнейший производитель компьютерной техники, говорит о том, что ей необходимо уделить особое внимание. Но не менее важно и то, что Token-Ring является в настоящее время международным стандартом IEEE 802.5 (хотя между Token-Ring и IEEE 802.5 есть незначительные отличия). Это ставит данную сеть на один уровень по статусу с Ethernet.

Разрабатывалась Token-Ring как надежная альтернатива Ethernet. И хотя сейчас Ethernet вытесняет все остальные сети, Token-Ring нельзя считать безнадежно устаревшей. Более 10 миллионов компьютеров по всему миру объединены этой сетью.

Компания IBM сделала все для максимально широкого распространения своей сети: была выпущена подробная документация вплоть до принципиальных схем адаптеров. В результате многие компании, например, 3СOM, Novell, Western Digital, Proteon и другие приступили к производству адаптеров. Кстати, специально для этой сети, а также для другой сети IBM PC Network была разработана концепция NetBIOS. Если в созданной ранее сети PC Network программы NetBIOS хранились во встроенной в адаптер постоянной памяти, то в сети Token-Ring уже применялась эмулирующая NetBIOS программа. Это позволило более гибко реагировать на особенности аппаратуры и поддерживать совместимость с программами более высокого уровня.

Сеть Token-Ring имеет топологию кольцо, хотя внешне она больше напоминает звезду. Это связано с тем, что отдельные абоненты (компьютеры) присоединяются к сети не напрямую, а через специальные концентраторы или многостанционные устройства доступа (MSAU или MAU – Multistation Access Unit). Физически сеть образует звездно-кольцевую топологию (рис. 7.3). В действительности же абоненты объединяются все-таки в кольцо, то есть каждый из них передает информацию одному соседнему абоненту, а принимает информацию от другого.

Рис. 7.3. Звездно-кольцевая топология сети Token-Ring

Концентратор (MAU) при этом позволяет централизовать задание конфигурации, отключение неисправных абонентов, контроль работы сети и т.д. (рис. 7.4). Никакой обработки информации он не производит.

Рис. 7.4. Соединение абонентов сети Token-Ring в кольцо с помощью концентратора (MAU)

Для каждого абонента в составе концентратора применяется специальный блок подключения к магистрали (TCU – Trunk Coupling Unit), который обеспечивает автоматическое включение абонента в кольцо, если он подключен к концентратору и исправен. Если абонент отключается от концентратора или же он неисправен, то блок TCU автоматически восстанавливает целостность кольца без участия данного абонента. Срабатывает TCU по сигналу постоянного тока (так называемый фантомный ток), который приходит от абонента, желающего включиться в кольцо. Абонент может также отключиться от кольца и провести процедуру самотестирования (крайний правый абонент на рис. 7.4). Фантомный ток никак не влияет на информационный сигнал, так как сигнал в кольце не имеет постоянной составляющей.

Конструктивно концентратор представляет собой автономный блок с десятью разъемами на передней панели (рис. 7.5).

Рис. 7.5. Концентратор Token-Ring (8228 MAU)

Восемь центральных разъемов (1…8) предназначены для подключения абонентов (компьютеров) с помощью адаптерных (Adapter cable) или радиальных кабелей. Два крайних разъема: входной RI (Ring In) и выходной RO (Ring Out) служат для подключения к другим концентраторам с помощью специальных магистральных кабелей (Path cable). Предлагаются настенный и настольный варианты концентратора.

Существуют как пассивные, так и активные концентраторы MAU. Активный концентратор восстанавливает сигнал, приходящий от абонента (то есть работает, как концентратор Ethernet). Пассивный концентратор не выполняет восстановление сигнала, только перекоммутирует линии связи.

Концентратор в сети может быть единственным (как на рис.7.4), в этом случае в кольцо замыкаются только абоненты, подключенные к нему. Внешне такая топология выглядит, как звезда. Если же нужно подключить к сети более восьми абонентов, то несколько концентраторов соединяются магистральными кабелями и образуют звездно-кольцевую топологию.

Как уже отмечалось, кольцевая топология очень чувствительна к обрывам кабеля кольца. Для повышения живучести сети, в Token-Ring предусмотрен режим так называемого сворачивания кольца, что позволяет обойти место обрыва.

В нормальном режиме концентраторы соединены в кольцо двумя параллельными кабелями, но передача информации производится при этом только по одному из них (рис. 7.6).

Рис. 7.6. Объединение концентраторов MAU в нормальном режиме

В случае одиночного повреждения (обрыва) кабеля сеть осуществляет передачу по обоим кабелям, обходя тем самым поврежденный участок. При этом даже сохраняется порядок обхода абонентов, подключенных к концентраторам (рис. 7.7). Правда, увеличивается суммарная длина кольца.

В случае множественных повреждений кабеля сеть распадается на несколько частей (сегментов), не связанных между собой, но сохраняющих полную работоспособность (рис. 7.8). Максимальная часть сети остается при этом связанной, как и прежде. Конечно, это уже не спасает сеть в целом, но позволяет при правильном распределении абонентов по концентраторам сохранять значительную часть функций поврежденной сети.

Несколько концентраторов может конструктивно объединяться в группу, кластер (cluster), внутри которого абоненты также соединены в кольцо. Применение кластеров позволяет увеличивать количество абонентов, подключенных к одному центру, например, до 16 (если в кластер входит два концентратора).

Рис. 7.7. Сворачивание кольца при повреждении кабеля

Рис. 7.8. Распад кольца при множественных повреждениях кабеля

В качестве среды передачи в сети IBM Token-Ring сначала применялась витая пара, как неэкранированная (UTP), так и экранированная (STP), но затем появились варианты аппаратуры для коаксиального кабеля, а также для оптоволоконного кабеля в стандарте FDDI.

Основные технические характеристики классического варианта сети Token-Ring:

• максимальное количество концентраторов типа IBM 8228 MAU – 12;
• максимальное количество абонентов в сети – 96;
• максимальная длина кабеля между абонентом и концентратором – 45 метров;
• максимальная длина кабеля между концентраторами – 45 метров;
• максимальная длина кабеля, соединяющего все концентраторы – 120 метров;
• скорость передачи данных – 4 Мбит/с и 16 Мбит/с.

Все приведенные характеристики относятся к случаю использования неэкранированной витой пары. Если применяется другая среда передачи, характеристики сети могут отличаться. Например, при использовании экранированной витой пары (STP) количество абонентов может быть увеличено до 260 (вместо 96), длина кабеля – до 100 метров (вместо 45), количество концентраторов – до 33, а полная длина кольца, соединяющего концентраторы – до 200 метров. Оптоволоконный кабель позволяет увеличивать длину кабеля до двух километров.

Для передачи информации в Token-Ring применяется бифазный код (точнее, его вариант с обязательным переходом в центре битового интервала). Как и в любой звездообразной топологии, никаких дополнительных мер по электрическому согласованию и внешнему заземлению не требуется. Согласование выполняется аппаратурой сетевых адаптеров и концентраторов.

Для присоединения кабелей в Token-Ring используются разъемы RJ-45 (для неэкранированной витой пары), а также MIC и DB9P. Провода в кабеле соединяют одноименные контакты разъемов (то есть используются так называемые прямые кабели).

Сеть Token-Ring в классическом варианте уступает сети Ethernet как по допустимому размеру, так и по максимальному количеству абонентов. Что касается скорости передачи, то в настоящее время имеются версии Token-Ring на скорость 100 Мбит/с (High Speed Token-Ring, HSTR) и на 1000 Мбит/с (Gigabit Token-Ring). Компании, поддерживающие Token-Ring (среди которых IBM, Olicom, Madge), не намерены отказываться от своей сети, рассматривая ее как достойного конкурента Ethernet.

По сравнению с аппаратурой Ethernet аппаратура Token-Ring заметно дороже, так как используется более сложный метод управления обменом, поэтому сеть Token-Ring не получила столь широкого распространения.

Однако в отличие от Ethernet сеть Token-Ring значительно лучше держит высокий уровень нагрузки (более 30-40%) и обеспечивает гарантированное время доступа. Это необходимо, например, в сетях производственного назначения, в которых задержка реакции на внешнее событие может привести к серьезным авариям.

В сети Token-Ring используется классический маркерный метод доступа, то есть по кольцу постоянно циркулирует маркер, к которому абоненты могут присоединять свои пакеты данных (см. рис. 7.8). Отсюда следует такое важное достоинство данной сети, как отсутствие конфликтов, но есть и недостатки, в частности необходимость контроля целостности маркера и зависимость функционирования сети от каждого абонента (в случае неисправности абонент обязательно должен быть исключен из кольца).

Предельное время передачи пакета в Token-Ring 10 мс. При максимальном количестве абонентов 260 полный цикл работы кольца составит 260 x 10 мс = 2,6 с. За это время все 260 абонентов смогут передать свои пакеты (если, конечно, им есть чего передавать). За это же время свободный маркер обязательно дойдет до каждого абонента. Этот же интервал является верхним пределом времени доступа Token-Ring.

Каждый абонент сети (его сетевой адаптер) должен выполнять следующие функции:

• выявление ошибок передачи;
• контроль конфигурации сети (восстановление сети при выходе из строя того абонента, который предшествует ему в кольце);
• контроль многочисленных временных соотношений, принятых в сети.

Большое количество функций, конечно, усложняет и удорожает аппаратуру сетевого адаптера.

Для контроля целостности маркера в сети используется один из абонентов (так называемый активный монитор). При этом его аппаратура ничем не отличается от остальных, но его программные средства следят за временными соотношениями в сети и формируют в случае необходимости новый маркер.

Активный монитор выполняет следующие функции:

• запускает в кольцо маркер в начале работы и при его исчезновении;
• регулярно (раз в 7 с) сообщает о своем присутствии специальным управляющим пакетом (AMP – Active Monitor Present);
• удаляет из кольца пакет, который не был удален пославшим его абонентом;
• следит за допустимым временем передачи пакета.

Активный монитор выбирается при инициализации сети, им может быть любой компьютер сети, но, как правило, становится первый включенный в сеть абонент. Абонент, ставший активным монитором, включает в сеть свой буфер (сдвиговый регистр), который гарантирует, что маркер будет умещаться в кольце даже при минимальной длине кольца. Размер этого буфера – 24 бита для скорости 4 Мбит/с и 32 бита для скорости 16 Мбит/с.

Каждый абонент постоянно следит за тем, как активный монитор выполняет свои обязанности. Если активный монитор по какой-то причине выходит из строя, то включается специальный механизм, посредством которого все другие абоненты (запасные, резервные мониторы) принимают решение о назначении нового активного монитора. Для этого абонент, обнаруживший аварию активного монитора, передает по кольцу управляющий пакет (пакет запроса маркера) со своим MAC-адресом. Каждый следующий абонент сравнивает MAC-адрес из пакета с собственным. Если его собственный адрес меньше, он передает пакет дальше без изменений. Если же больше, то он устанавливает в пакете свой MAC-адрес. Активным монитором станет тот абонент, у которого значение MAC-адреса больше, чем у остальных (он должен трижды получить обратно пакет со своим MAC-адресом). Признаком выхода из строя активного монитора является невыполнение им одной из перечисленных функций.

Маркер сети Token-Ring представляет собой управляющий пакет, содержащий всего три байта (рис. 7.9): байт начального разделителя (SD – Start Delimiter), байт управления доступом (AC – Access Control) и байт конечного разделителя (ED – End Delimiter). Все эти три байта входят также в состав информационного пакета, правда, функции их в маркере и в пакете несколько различаются.

Начальный и конечный разделители представляют собой не просто последовательность нулей и единиц, а содержат сигналы специального вида. Это было сделано для того, чтобы разделители нельзя было спутать ни с какими другими байтами пакетов.

Рис. 7.9. Формат маркера сети Token-Ring

Начальный разделитель SD содержит четыре нестандартных битовых интервала (рис. 7.10). Два из них, обозначающихся J, представляют собой низкий уровень сигнала в течение всего битового интервала. Два других бита, обозначающихся К, представляют собой высокий уровень сигнала в течение всего битового интервала. Понятно, что такие сбои в синхронизации легко выявляются приемником. Биты J и K никогда не могут встречаться среди битов полезной информации.

Рис. 7.10. Форматы начального (SD) и конечного (ED) разделителей

Конечный разделитель ED также содержит в себе четыре бита специального вида (два бита J и два бита K), а также два единичных бита. Но, кроме того, в него входят и два информационных бита, которые имеют смысл только в составе информационного пакета:

• Бит I (Intermediate) представляет собой признак промежуточного пакета (1 соответствует первому в цепочке или промежуточному пакету, 0 – последнему в цепочке или единственному пакету).
• Бит E (Error) является признаком обнаруженной ошибки (0 соответствует отсутствию ошибок, 1 – их наличию).

Байт управления доступом (AC – Access Control) разделен на четыре поля (рис. 7.11): поле приоритета (три бита), бит маркера, бит монитора и поле резервирования (три бита).

Рис. 7.11. Формат байта управления доступом

Биты (поле) приоритета позволяют абоненту присваивать приоритет своим пакетам или маркеру (приоритет может быть от 0 до 7, причем 7 соответствует наивысшему приоритету, а 0 – низшему). Абонент может присоединить к маркеру свой пакет только тогда, когда его собственный приоритет (приоритет его пакетов) такой же или выше приоритета маркера.

Бит маркера определяет, присоединен ли к маркеру пакет или нет (единица соответствует маркеру без пакета, нуль – маркеру с пакетом). Бит монитора, установленный в единицу, говорит о том, что данный маркер передан активным монитором.

Биты (поле) резервирования позволяют абоненту зарезервировать свое право на дальнейший захват сети, то есть занять очередь на обслуживание. Если приоритет абонента (приоритет его пакетов) выше, чем текущее значение поля резервирования, то он может записать туда свой приоритет вместо прежнего. После обхода по кольцу в поле резервирования будет записан наивысший приоритет из всех абонентов. Содержимое поля резервирования аналогично содержимому поля приоритета, но говорит о будущем приоритете.

В результате использования полей приоритета и резервирования обеспечивается возможность доступа к сети только абонентам, имеющим пакеты для передачи с наивысшим приоритетом. Менее приоритетные пакеты будут обслуживаться только по исчерпании более приоритетных пакетов.

Формат информационного пакета (кадра) Token-Ring представлен на рис. 7.12. Помимо начального и конечного разделителей, а также байта управления доступом в этот пакет входят также байт управления пакетом, сетевые адреса приемника и передатчика, данные, контрольная сумма и байт состояния пакета.

Рис. 7.12. Формат пакета (кадра) сети Token-Ring (длина полей дана в байтах)

Назначение полей пакета (кадра).

• Начальный разделитель (SD) является признаком начала пакета, формат – такой же, как и в маркере.
• Байт управления доступом (AC) имеет тот же формат, что и в маркере.
• Байт управления пакетом (FC – Frame Control) определяет тип пакета (кадра).
• Шестибайтовые MAC-адреса отправителя и получателя пакета имеют стандартный формат, описанный в лекции 4.
• Поле данных (Data) включает в себя передаваемые данные (в информационном пакете) или информацию для управления обменом (в управляющем пакете).
• Поле контрольной суммы (FCS – Frame Check Sequence) представляет собой 32-разрядную циклическую контрольную сумму пакета (CRC).
• Конечный разделитель (ED), как и в маркере, указывает на конец пакета. Кроме того, он определяет, является ли данный пакет промежуточным или заключительным в последовательности передаваемых пакетов, а также содержит признак ошибочности пакета (см. рис. 7.10).
• Байт состояния пакета (FS – Frame Status) говорит о том, что происходило с данным пакетом: был ли он увиден приемником (то есть, существует ли приемник с заданным адресом) и скопирован в память приемника. По нему отправитель пакета узнает, дошел ли пакет по назначению и без ошибок или его надо передавать заново.

Следует отметить, что больший допустимый размер передаваемых данных в одном пакете по сравнению с сетью Ethernet может стать решающим фактором для увеличения производительности сети. Теоретически для скоростей передачи 16 Мбит/с и 100 Мбит/с длина поля данных может достигать даже 18 Кбайт, что принципиально при передаче больших объемов данных. Но даже при скорости 4 Мбит/с благодаря маркерному методу доступа сеть Token-Ring часто обеспечивает большую фактическую скорость передачи, чем сеть Ethernet (10 Мбит/с). Особенно заметно преимущество Token-Ring при больших нагрузках (свыше 30-40%), так как в этом случае метод CSMA/CD требует много времени на разрешение повторных конфликтов.

Абонент, желающий передавать пакет, ждет прихода свободного маркера и захватывает его. Захваченный маркер превращается в обрамление информационного пакета. Затем абонент передает информационный пакет в кольцо и ждет его возвращения. После этого он освобождает маркер и снова посылает его в сеть.

Помимо маркера и обычного пакета в сети Token-Ring может передаваться специальный управляющий пакет, служащий для прерывания передачи (Abort). Он может быть послан в любой момент и в любом месте потока данных. Пакет этот состоит из двух однобайтовых полей – начального (SD) и конечного (ED) разделителей описанного формата.

Интересно, что в более быстрой версии Token-Ring (16 Мбит/с и выше) применяется так называемый метод раннего формирования маркера (ETR – Early Token Release). Он позволяет избежать непроизводительного использования сети в то время, пока пакет данных не вернется по кольцу к своему отправителю.

Метод ETR сводится к тому, что сразу после передачи своего пакета, присоединенного к маркеру, любой абонент выдает в сеть новый свободный маркер. Другие абоненты могут начинать передачу своих пакетов сразу же после окончания пакета предыдущего абонента, не дожидаясь, пока он завершит обход всего кольца сети. В результате в сети может находиться несколько пакетов одновременно, но всегда будет не более одного свободного маркера. Этот конвейер особенно эффективен в сетях большой протяженности, имеющих значительную задержку распространения.

При подключении абонента к концентратору он выполняет процедуру автономного самотестирования и тестирования кабеля (в кольцо он пока не включается, так как нет сигнала фантомного тока). Абонент посылает сам себе ряд пакетов и проверяет правильность их прохождения (его вход напрямую соединен с его же выходом блоком TCU, как показано на рис. 7.4). После этого абонент включает себя в кольцо, посылая фантомный ток. В момент включения, передаваемый по кольцу пакет может быть испорчен. Далее абонент настраивает синхронизацию и проверяет наличие в сети активного монитора. Если активного монитора нет, абонент начинает состязание за право стать им. Затем абонент проверяет уникальность собственного адреса в кольце и собирает информацию о других абонентах. После чего он становится полноправным участником обмена по сети.

В процессе обмена каждый абонент следит за исправностью предыдущего абонента (по кольцу). Если он подозревает отказ предыдущего абонента, он запускает процедуру автоматического восстановления кольца. Специальный управляющий пакет (бакен) говорит предыдущему абоненту о необходимости провести самотестирование и, возможно, отключиться от кольца.

В сети Token-Ring предусмотрено также использование мостов и коммутаторов. Они применяются для разделения большого кольца на несколько кольцевых сегментов, имеющих возможность обмена пакетами между собой. Это позволяет снизить нагрузку на каждый сегмент и увеличить долю времени, предоставляемую каждому абоненту.

В результате можно сформировать распределенное кольцо, то есть объединение нескольких кольцевых сегментов одним большим магистральным кольцом (рис. 7.13) или же звездно-кольцевую структуру с центральным коммутатором, к которому подключены кольцевые сегменты (рис. 7.14).

Рис. 7.13. Объединение сегментов магистральным кольцом с помощью мостов

Рис. 7.14. Объединение сегментов центральным коммутатором

Сеть Arcnet (или ARCnet от английского Attached Resource Computer Net, компьютерная сеть соединенных ресурсов) – это одна из старейших сетей. Она была разработана компанией Datapoint Corporation еще в 1977 году. Международные стандарты на эту сеть отсутствуют, хотя именно она считается родоначальницей метода маркерного доступа. Несмотря на отсутствие стандартов, сеть Arcnet до недавнего времени (в 1980 – 1990 г.г.) пользовалась популярностью, даже серьезно конкурировала с Ethernet. Большое количество компаний (например, Datapoint, Standard Microsystems, Xircom и др.) производили аппаратуру для сети этого типа. Но сейчас производство аппаратуры Arcnet практически прекращено.

Среди основных достоинств сети Arcnet по сравнению с Ethernet можно назвать ограниченную величину времени доступа, высокую надежность связи, простоту диагностики, а также сравнительно низкую стоимость адаптеров. К наиболее существенным недостаткам сети относятся низкая скорость передачи информации (2,5 Мбит/с), система адресации и формат пакета.

Для передачи информации в сети Arcnet используется довольно редкий код, в котором логической единице соответствует два импульса в течение битового интервала, а логическому нулю – один импульс. Очевидно, что это самосинхронизирующийся код, который требует еще большей пропускной способности кабеля, чем даже манчестерский.

В качестве среды передачи в сети используется коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 93 Ом, к примеру, марки RG-62A/U. Варианты с витой парой (экранированной и неэкранированной) не получили широкого распространения. Были предложены и варианты на оптоволоконном кабеле, но и они также не спасли Arcnet.

В качестве топологии сеть Arcnet использует классическую шину (Arcnet-BUS), а также пассивную звезду (Arcnet-STAR). В звезде применяются концентраторы (хабы). Возможно объединение с помощью концентраторов шинных и звездных сегментов в древовидную топологию (как и в Ethernet). Главное ограничение – в топологии не должно быть замкнутых путей (петель). Еще одно ограничение: количество сегментов, соединенных последовательной цепочкой с помощью концентраторов, не должно превышать трех.

Концентраторы бывают двух видов:

• Активные концентраторы (восстанавливают форму приходящих сигналов и усиливают их). Количество портов – от 4 до 64. Активные концентраторы могут соединяться между собой (каскадироваться).
• Пассивные концентраторы (просто смешивают приходящие сигналы без усиления). Количество портов – 4. Пассивные концентраторы не могут соединяться между собой. Они могут связывать только активные концентраторы и/или сетевые адаптеры.

Шинные сегменты могут подключаться только к активным концентраторам.

Сетевые адаптеры также бывают двух видов:

• Высокоимпедансные (Bus), предназначенные для использования в шинных сегментах:
• Низкоимпедансные (Star), предназначенные для использования в пассивной звезде.

Низкоимпедансные адаптеры отличаются от высокоимпедансных тем, что они содержат в своем составе согласующие 93-омные терминаторы. При их применении внешнее согласование не требуется. В шинных сегментах низкоимпедансные адаптеры могут использоваться как оконечные для согласования шины. Высокоимпедансные адаптеры требуют применения внешних 93-омных терминаторов. Некоторые сетевые адаптеры имеют возможность переключения из высокоимпедансного состояния в низкоимпедансное, они могут работать и в шине, и в звезде.

Таким образом, топология сети Arcnet имеет следующий вид (рис. 7.15).

Рис. 7.15. Топология сети Arcnet типа шина (B – адаптеры для работы в шине, S – адаптеры для работы в звезде)

Основные технические характеристики сети Arcnet следующие.

• Среда передачи – коаксиальный кабель, витая пара.
• Максимальная длина сети – 6 километров.
• Максимальная длина кабеля от абонента до пассивного концентратора – 30 метров.
• Максимальная длина кабеля от абонента до активного концентратора – 600 метров.
• Максимальная длина кабеля между активным и пассивным концентраторами – 30 метров.
• Максимальная длина кабеля между активными концентраторами – 600 метров.
• Максимальное количество абонентов в сети – 255.
• Максимальное количество абонентов на шинном сегменте – 8.
• Минимальное расстояние между абонентами в шине – 1 метр.
• Максимальная длина шинного сегмента – 300метров.
• Скорость передачи данных – 2,5 Мбит/с.

При создании сложных топологий необходимо следить за тем, чтобы задержка распространения сигналов в сети между абонентами не превышала 30 мкс. Максимальное затухание сигнала в кабеле на частоте 5 МГц не должно превышать 11 дБ.

В сети Arcnet используется маркерный метод доступа (метод передачи права), но он несколько отличается от аналогичного в сети Token-Ring. Ближе всего этот метод к тому, который предусмотрен в стандарте IEEE 802.4. Последовательность действий абонентов при данном методе:

1. Абонент, желающий передавать, ждет прихода маркера.

2. Получив маркер, он посылает запрос на передачу абоненту-приемнику информации (спрашивает, готов ли приемник принять его пакет).

3. Приемник, получив запрос, посылает ответ (подтверждает свою готовность).

4. Получив подтверждение готовности, абонент-передатчик посылает свой пакет.

5. Получив пакет, приемник посылает подтверждение приема пакета.

6. Передатчик, получив подтверждение приема пакета, заканчивает свой сеанс связи. После этого маркер передается следующему абоненту по порядку убывания сетевых адресов.

Таким образом, в данном случае пакет передается только тогда, когда есть уверенность в готовности приемника принять его. Это существенно увеличивает надежность передачи.

Так же, как и в случае Token-Ring, конфликты в Arcnet полностью исключены. Как и любая маркерная сеть, Arcnet хорошо держит нагрузку и гарантирует величину времени доступа к сети (в отличие от Ethernet). Полное время обхода маркером всех абонентов составляет 840 мс. Соответственно, этот же интервал определяет верхний предел времени доступа к сети.

Маркер формируется специальным абонентом – контроллером сети. Им является абонент с минимальным (нулевым) адресом.

Если абонент не получает свободный маркер в течение 840 мс, то он посылает в сеть длинную битовую последовательность (для гарантированного уничтожения испорченного старого маркера). После этого производится процедура контроля сети и назначения (при необходимости) нового контроллера.

Размер пакета сети Arcnet составляет 0,5 Кбайта. Помимо поля данных в него входят также 8-битные адреса приемника и передатчика и 16-битная циклическая контрольная сумма (CRC). Такой небольшой размер пакета оказывается не слишком удобным при высокой интенсивности обмена по сети.

Адаптеры сети Arcnet отличаются от адаптеров других сетей тем, что в них необходимо с помощью переключателей или перемычек установить собственный сетевой адрес (всего их может быть 255, так как последний, 256-ой адрес применяется в сети для режима широкого вещания). Контроль уникальности каждого адреса сети полностью возлагается на пользователей сети. Подключение новых абонентов становится при этом довольно сложным, так как необходимо задавать тот адрес, который еще не использовался. Выбор 8-битного формата адреса ограничивает допустимое количество абонентов в сети – 255, что может быть недостаточно для крупных компаний.

В результате все это привело к практически полному отказу от сети Arcnet. Существовали варианты сети Arcnet, рассчитанные на скорость передачи 20 Мбит/с, но они не получили широкого распространения.

Статьи к прочтению:

Лекция 6: Стандартные сегменты сети Ethernet/Fast Ethernet

Цели работы

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

Теоретические сведения

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Правила построения сети

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

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

Таблица Л. 1

Предельно допустимый диаметр домена коллизий в Fast Ethernet

Стандартом определены два класса повторителей:

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

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

Таблица Л2

Временные задержки компонентов сети Fast Ethernet

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

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

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

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

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

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

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

Таблица Л.З

Время двойного оборота сети Fast Ethernet

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

Задание для выполнения

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

Таблица Л.4

Варианты заданий

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

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

Рис. Л.29. Топология сети 1

Рис. Л.30. Топология сети 2

Fast Ethernet

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

Структура Fast Ethernet

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

Рисунок 1. Система Fast Ethernet

Подуровень управления логической связью (LLC)

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

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

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

Заголовок LLC состоит из трех полей:

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

Заголовок SNAP

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

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

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

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

Подуровень согласования

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

Управление доступом к среде ( MAC)

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

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

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

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

CSMA/ CD

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

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

Рисунок 2. Межпакетная щель

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

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

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

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

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

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

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

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

Рисунок 3. Алгоритм работы CSMA/CD

Устройство физического уровня ( PHY)

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

Подуровень кодирования ( PCS)

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

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

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

Подуровень автопереговоров (AUTONEG)

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

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

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

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

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

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

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

Среда 100Base-TX

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

Разъем MDI (Medium Dependent Interface)

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

Кабель UTP категории 5(e)

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

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

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

Рисунок 4. Структура кадра Fast Ethernet

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

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

Адресация кадров

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

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

Рисунок 5. Формат МАС-адреса

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

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

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

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

Поле Длина/Тип

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

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

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

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

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

Поле данных

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

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

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

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

Контрольная сумма кадра

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

Значения полей DSAP и SSAP

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

В тестовой лаборатории «КомпьютерПресс» было проведено тестирование предназначенных для использования в рабочих станциях 10/100 Mбит/с сетевых карт стандарта Fast Ethernet для шины PCI. Были выбраны наиболее распространенные в настоящее время карты с пропускной способностью 10/100 Mбит/с, так как, во-первых, они могут использоваться в сетях Ethernet, Fast Ethernet и в смешанных сетях, и, во-вторых, перспективная технология Gigabit Ethernet (пропускная способность до 1000 Мбит/с) пока применяется чаще всего для подключения мощных серверов к сетевому оборудованию ядра сети. Чрезвычайно важно то, какого качества пассивное сетевое оборудование (кабели, розетки и т.п.) используется в сети. Хорошо известно, что если для сетей Ethernet достаточно кабеля на витой паре категории 3, то уже для Fast Ethernet необходима 5 категория. Рассеивание сигнала, плохая защищенность от шумов могут существенно понизить пропускную способность сети.

Целью тестирования являлось определение в первую очередь индекса эффективной производительности (Performance/Efficiency Index Ratio - в дальнейшем P/E-индекс), и только затем - абсолютного значения пропускной способности. P/E-индекс вычисляется как отношение пропускной способности сетевой карты в Мбит/c к степени загруженности центрального процессора в процентах. Этот индекс является отраслевым стандартом определения производительности сетевых адаптеров. Он был введен для того, чтобы учесть использование сетевыми картами ресурсов центрального процессора. Дело в том, что некоторые производители сетевых адаптеров стараются добиться максимальной производительности путем использования для выполнения сетевых операций большего числа циклов процессора компьютера. Минимальная загрузка процессора и относительно высокая пропускная способность имеют большое значение для выполнения критически важных бизнес- и мультимедиа-приложений, а также задач реального времени.

Были протестированы карты, которые в настоящее время чаще других используются для рабочих станций в корпоративных и локальных сетях:

1. D-Link DFE-538TX
2. SMC EtherPower II 10/100 9432TX/MP
3. 3Com Fast EtherLink XL 3C905B-TX-NM
4. Compex RL 100ATX
5. Intel EtherExpress PRO/100+ Management
6. CNet PRO-120
7. NetGear FA 310TX
8. Allied Telesyn AT 2500TX
9. Surecom EP-320X-R

Основные характеристики тестируемых сетевых адаптеров приведены в табл. 1 . Поясним некоторые термины, которые использованы в таблице. Автоматическое определение скорости соединения означает, что адаптер сам определяет максимально возможную скорость функционирования. Кроме того, в случае поддержки автоопределения скорости никакой дополнительной настройки при переходе от Ethernet к Fast Ethernet и обратно производить не нужно. То есть от системного администратора не требуется реконфигурировать адаптер и перегружать драйверы.

Поддержка режима Bus Master позволяет передавать данные непосредственно между сетевой картой и памятью компьютера. Тем самым центральный процессор высвобождается для выполнения других операций. Это свойство стало стандартом де-факто. Недаром все известные сетевые карты поддерживают режим Bus Master.

Дистанционное включение (Wake on LAN) позволяет производить включение ПК по сети. То есть возникает возможность обслуживать ПК в нерабочее время. Для этой цели используются трехконтактные разъемы на системной плате и сетевом адаптере, которые соединяются специальным кабелем (входит в комплект поставки). Кроме того, необходимо специальное управляющее ПО. Технология Wake on LAN разработана альянсом Intel-IBM.

Полнодуплексный режим позволяет передавать данные одновременно в обоих направлениях, полудуплексный - только в одном. Таким образом, максимально возможная пропускная способность в полнодуплексном режиме составляет 200 Мбит/с.

Интерфейс DMI (Desktop Management Interface) дает возможность получать информацию о конфигурации и ресурсах ПК с помощью ПО сетевого управления.

Поддержка спецификации WfM (Wired for Management) обеспечивает взаимодействие сетевого адаптера с программными средствами сетевого управления и администрирования.

Для удаленной загрузки ОС компьютера по сети сетевые адаптеры снабжаются специальной памятью BootROM. Это позволяет эффективно использовать в сети бездисковые рабочие станции. В большинстве тестируемых карт присутствовало только гнездо для установки BootROM; сама микросхема BootROM обычно является отдельно заказываемой опцией.

Поддержка ACPI (Advanced Configuration Power Interface) позволяет снизить энергопотребление. ACPI - это новая технология, обеспечивающая работу системы управления питанием. Она базируется на использовании как аппаратных, так и программных средств. В принципе, Wake on LAN является составной частью ACPI.

Фирменные средства повышения производительности позволяют увеличить эффективность работы сетевой карты. Наиболее известные из них - Parallel Tasking II компании 3Com и Adaptive Technology компании Intel. Эти средства обычно бывают запатентованы.

Поддержка основных операционных систем обеспечивается практически всеми адаптерами. К основным ОС относятся: Windows, Windows NT, NetWare, Linux, SCO UNIX, LAN Manager и другие.

Уровень сервисной поддержки оценивается наличием документации, дискеты с драйверами и возможностью скачать последние версии драйверов с сайта компании. Не последнюю роль играет и упаковка. С этой точки зрения, лучшими, на наш взгляд, являются сетевые адаптеры D-Link, Allied Telesyn и Surecom. Но в целом уровень поддержки оказался для всех карт удовлетворительным.

Обычно гарантия распространяется на все время эксплуатации сетевого адаптера (пожизненная гарантия). Иногда она ограничивается 1-3 годами.

Методика тестирования

Во всех тестах использовались самые последние версии драйверов сетевых карт, которые загружались с Internet-серверов соответствующих производителей. В случае когда драйвер сетевой карты допускал какие-либо настройки и оптимизацию, использовались установки по умолчанию (кроме сетевого адаптера Intel). Отметим, что наиболее богатыми дополнительными возможностями и функциями обладают карты и соответствующие драйверы компаний 3Com и Intel.

Измерение производительности производилось при помощи утилиты Perform3 компании Novell. Принцип действия утилиты заключается в том, что файл небольшого размера переписывается с рабочей станции на разделяемый сетевой диск сервера, после чего он остается в файловом кэше сервера и в течение заданного промежутка времени многократно оттуда считывается. Это позволяет достичь взаимодействия типа память-сеть-память и устранить влияние задержек, связанных с дисковыми операциями. В число параметров утилиты входят начальный размер файла, конечный размер файла, шаг изменения размера и время тестирования. Утилита Novell Perform3 выводит значения производительности с файлами разного размера, среднюю и максимальную производительность (в Кбайт/c). Для настройки утилиты использовались следующие параметры:

• Начальный размер файла - 4095 байт
• Конечный размер файла - 65 535 байт
• Шаг приращения файла - 8192 байт

Время тестирования с каждым файлом было установлено равным двадцати секундам.

В каждом эксперименте использовалась пара одинаковых сетевых карт, одна из которых работала на сервере, а другая - на рабочей станции. Кажется, что это не соответствует распространенной практике, поскольку в серверах обычно используются специализированные сетевые адаптеры, снабженные рядом дополнительных функций. Но именно таким образом - одни и те же сетевые карты устанавливаются и на сервере и на рабочих станциях - проводится тестирование всеми известными тестовыми лабораториями мира (KeyLabs, Tolly Group и т.д.). Результаты получаются несколько ниже, но эксперимент оказывается чистым, поскольку на всех компьютерах работают только анализируемые сетевые карты.

Конфигурация клиента Compaq DeskPro EN:

• процессор Pentium II 450 MГц
• кэш 512 Kбайт
• оперативная память 128 Mбайт
• винчестер 10 Гбайт
• операционная система Microsoft Windows NT Server 4.0 c 6 a SP
• протокол TCP/IP.

Конфигурация сервера Compaq DeskPro EP:

• процессор Celeron 400 MГц
• оперативная память 64 Mбайт
• винчестер 4,3 Гбайт
• операционная система Microsoft Windows NT Workstation 4.0 c c 6 a SP
• протокол TCP/IP.

Тестирование было проведено в условиях, когда компьютеры соединялись напрямую кроссоверным кабелем UTP Category 5. Во время этих тестов карты работали в режиме 100Base-TX Full Duplex. В этом режиме пропускная способность оказывается несколько выше за счет того, что часть служебной информации (например, подтверждение приема) передается одновременно с полезной информацией, объем которой оценивается. В этих условиях удалось зафиксировать довольно высокие значения пропускной способности; например, для адаптера 3Com Fast EtherLink XL 3C905B-TX-NM в среднем 79,23 Mбит/с.

Загруженность процессора измерялась на сервере при помощи утилиты Windows NT Performance Monitor; данные записывались в log-файл. Утилита Perform3 запускалась на клиенте, чтобы не влиять на загруженность процессора сервера. В качестве процессора компьютера-сервера использовался Intel Celeron, производительность которого существенно ниже производительности процессоров Pentium II и III. Intel Celeron использовался умышленно: дело в том, что, поскольку загрузка процессора определяется с достаточно большой абсолютной погрешностью, в случае больших абсолютных значений относительная погрешность оказывается меньше.

После каждого теста утилита Perform3 помещает результаты своей работы в текстовый файл в виде набора данных следующего вида:

65535 bytes. 10491.49 KBps. 10491.49 Aggregate KBps. 57343 bytes. 10844.03 KBps. 10844.03 Aggregate KBps. 49151 bytes. 10737.95 KBps. 10737.95 Aggregate KBps. 40959 bytes. 10603.04 KBps. 10603.04 Aggregate KBps. 32767 bytes. 10497.73 KBps. 10497.73 Aggregate KBps. 24575 bytes. 10220.29 KBps. 10220.29 Aggregate KBps. 16383 bytes. 9573.00 KBps. 9573.00 Aggregate KBps. 8191 bytes. 8195.50 KBps. 8195.50 Aggregate KBps. 10844.03 Maximum KBps. 10145.38 Average KBp.

Выводится размер файла, соответствующая пропускная способность для выбранного клиента и для всех клиентов (в данном случае клиент всего один), а также максимальная и средняя пропускная способность по всему тесту. Полученные средние значения по каждому тесту переводились из Кбайт/c в Мбит/c по формуле:
(Кбайт x 8)/1024,
и значение индекса P/E вычислялось как отношение пропускной способности к загруженности процессора в процентах. В дальнейшем среднее значение индекса P/E вычислялось по результатам трех измерений.

С использованием утилиты Perform3 на Windows NT Workstation возникла следующая проблема: кроме записи на сетевой диск, файл записывался также в локальный файловый кэш, откуда впоследствии очень быстро считывался. Результаты были впечатляющими, но нереальными, поскольку передачи данных как таковой по сети не производилось. Для того чтобы приложения могли воспринимать разделяемые сетевые диски как обычные локальные диски, в операционной системе используется специальный сетевой компонент - редиректор, перенаправляющий запросы ввода-вывода по сети. В обычных условиях работы при выполнении процедуры записи файла на разделяемый сетевой диск редиректор использует алгоритм кэширования Windows NT. Именно поэтому при записи на сервер происходит также запись в локальный файловый кэш клиентской машины. А для проведения тестирования необходимо, чтобы кэширование проводилось только на сервере. Для того чтобы на компьютере-клиенте кэширования не было, в реестре Windows NT были изменены значения параметров, что позволило отключить кэширование, производимое редиректором. Вот как это было сделано:

1. Путь в Registry:

   HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\CurrentControlSet\Services\Rdr\Parameters

   Имя параметра:

   UseWriteBehind разрешает оптимизацию write-behind для записываемых файлов

   Тип: REG_DWORD

   Значение: 0 (по умолчанию: 1)

2. Путь в Registry:

   HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\CurrentControlSet\Services\Lanmanworkstation\parameters

   Имя параметра:

   UtilizeNTCaching указывает, будет ли редиректор использовать кэш-менеджер Windows NT для кэширования содержимого файлов.

   Тип: REG_DWORD Значение: 0 (по умолчанию: 1)

Сетевой адаптер Intel EtherExpress PRO/100+Management

Пропускная способность этой карты и уровень использования процессора оказались практически такими же, как и у 3Com. Ниже показаны окна настройки параметров этой карты.

Новый контроллер Intel 82559, установленный на этой карте, обеспечивает очень высокую производительность, особенно в сетях Fast Ethernet.

Технология, которую использует Intel в своей карте Intel EtherExpress PRO/100+, названа Adaptive Technology. Сущность метода заключается в автоматическом изменении временных промежутков между пакетами Ethernet в зависимости от загруженности сети. При увеличении загруженности сети расстояние между отдельными пакетами Ethernet динамически увеличивается, что позволяет уменьшить количество коллизий и повысить пропускную способность. При небольшой сетевой загрузке, когда вероятность коллизий мала, временные промежутки между пакетами снижаются, что также ведет к увеличению производительности. В наибольшей степени преимущества этого метода должны проявляться в больших коллизионных сегментах Ethernet, то есть в тех случаях, когда в топологии сети преобладают концентраторы, а не коммутаторы.

Новая технология Intel, названная Priority Packet, позволяет регулировать трафик, проходящий через сетевую карту, в соответствии с приоритетами отдельных пакетов. Это дает возможность повышать скорость передачи данных для критически важных приложений.

Обеспечивается поддержка виртуальных локальных сетей VLAN (стандарт IEEE 802.1Q).

На плате всего два индикатора - работа/соединение, скорость 100.

www.intel.com

Сетевой адаптер SMC EtherPower II 10/100 SMC9432TX/MP

В архитектуре этой карты использованы две перспективные технологии SMC SimulTasking и Programmable InterPacket Gap. Первая технология похожа на технологию 3Com Parallel Tasking. Сопоставив результаты тестирования для карт этих двух производителей, можно сделать вывод о степени эффективности реализации этих технологий. Отметим также, что данная сетевая карта показала третий результат и по производительности и по индексу P/E, опередив все карты, кроме 3Com и Intel.

На карте четыре светодиодных индикатора: скорость 100, передача, соединение, дуплекс.

Адрес основного Web-узла компании: www.smc.com