Локальная сеть Ethernet

Спецификацию Ethernet в конце 70-х годов XX в. предложи­ла компания Xerox Corporation. Позднее к этому проекту при­соединились компании Digital Equipment Corporation (DEC) и Intel Corporation. В 1982 г. была опубликована спецификация на Ethernet версии 2.0. На базе Ethernet институтом IEEE был раз­работан стандарт IEEE 802.3.

На логическом уровне в Ethernet применяется шинная топо­логия:

• все устройства, подключенные к сети, равноправны, т. е. любая станция может начать передачу в любой момент вре­мени (если передающая среда свободна);

• данные, передаваемые одной станцией, доступны всем стан­циям сети.

Метод доступа Ethernet является методом множественного доступа с прослушиванием несущей и разрешением коллизий (конфликтов) — CSMA/CD (Carier Sense Multiple Access with Collision Detection), был предложен Xerox в 1975 г.

Поскольку в системе используется топология «общая шина», сообщение, отправляемое одной рабочей станцией, принимает­ся одновременно всеми остальными, подключенными к общей шине. Сообщение, предназначенное только для одной станции (оно включает адрес станции назначения и адрес станции от­правителя), принимается этой станцией и игнорируется осталь­ными.. Перед началом передачи рабочая станция определяет, свободен канал или занят. Если канал свободен, станция начи­нает передачу.

Ethernet не исключает возможности одновременной переда­чи сообщений двумя или несколькими станциями. Аппаратура автоматически распознает такие конфликты, называемые колли­зиями. После обнаружения конфликта станции задерживают пе­редачу на некоторое время. Это время небольшое и для каждой станции свое. После задержки передача возобновляется. Реально конфликты приводят к уменьшению быстродействия сети толь­ко в том случае, если работает порядка 80—100 станций.

Такая схема наиболее действенна при небольшом числе пользователей или незначительном количестве передаваемых в сегменте сообщений. При увеличении числа пользователей сеть будет работать не столь эффективно. В этом случае оптимальное решение состоит в увеличении числа сегментов для обслужива­ния групп с меньшим числом пользователей. Передаваемые в сети Ethernet пакеты могут иметь переменную длину.

Толстый Тонкий 500! 185

Таблица 4.3. Ограничения на рабочие характеристики сетей типа Ethernet

Параметры

Максимальная длина сегмента, м

■ -+■

Максимальное количество сегментов в сети Максимальная длина сети, м

Максимальное количество станций, подключенных к одному сегменту (если в сети есть репитеры, то они тоже считаются как рабочие станции)

Минимальное расстояние между точками подключения рабочих станций, м

925 100 0,5

2500 100 2,5

Максимальная длина трансиверного кабеля, м

Кроме ограничения на длину сегмента, существуют ограни­чения на максимальное количество сегментов в сети (и, как следствие, на максимальную длину сети), на максимальное ко­личество рабочих станций, подключенных к сети, и на макси­мальную длину трансиверного кабеля.

Высокоскоростные (более 100 Мбит/с) сети

Новые требования к производительности сетей, предъявляе­мые современными приложениями, такими, как мультимедиа, распределенные вычисления, системы оперативной обработки транзакций, вызывают насущную необходимость расширения

соответствующих стандартов. Ethernet на 10 Мбит/с, долгое вре­мя занимавший главенствующие позиции, активно вытесняется более современными и существенно более быстрыми техноло­гиями передачи данных.

На рынке высокоскоростных сетей предлагается около де­сятка различных технологий, как развивающих уже существую­щие стандарты, так и основанных на концептуально новых. В их число входят следующие стандарты и технологии.

Оптоволоконный интерфейс FDDI. Оптоволоконный интер­фейс к распределенным данным (Fibre Distributed Data Interface — FDDI) был разработан комитетом стандартов Американского на­ционального института стандартов (ANSI) в середине 1980-х гг., когда высокоскоростные АРМ проектировщиков начали перегру­жать полосу пропускания существующих локальных сетей, осно­ванных на Ethernet и Token Ring. Стандарт определяет двойную кольцевую локальную сеть с эстафетным доступом на 100 Мбит/с, использующую волоконно-оптический кабель. FDDI занял свою нишу как надежная, высокоскоростная магистраль для сетей кри­тического назначения и с высоким потоком данных.

Размер пакета может достигать 20 000 байт, хотя обычно ис­пользуются пакеты размером 4500 байт. Тем не менее, если пакет предназначен для рабочей станции, подключенной к кольцу с помощью Ethernet, то его размер не будет превышать 1516 байт. Максимальная длина окружности сети FDDI составляет 100 км, а расстояние между рабочими станциями — 2 км.

В то время как в Token Ring используется только один мар­кер, который передается от одной машины к другой. FDDI ис­пользует другую идею — так называемый временной маркер. Каждая станция посылает данные следующей в течение опреде­ленного периода времени, о котором они «договариваются» за­ранее, когда подключаются к кольцу.

Поскольку каждый конкретный путь однонаправлен и уст­ройства передают данные в указанное время, то такая схема пол­ностью исключает коллизии. Это позволяет FDDI достичь прак­тически полной теоретической пропускной способности.

FDDI использует двойную кольцевую топологию, которая включает два противовращающихся кольца (рис. 4.1). В процес­се нормального функционирования первичное кольцо использу­ется для передачи данных, вторичное кольцо простаивает. Нали­чие двойных колец должно обеспечить высокую надежность и устойчивость к ошибкам.

Рис. 4.1. Архитектура сети FDDI

Станция в сети присоединяется к обоим из этих колец и должна иметь не менее двух портов — «А», где первичное кольцо входит и вторичное кольцо выходит, и «В», где вторичное кольцо входит и первичное выходит. Предусмотрены также порты «М» которые являются соединениями для присоединяемых станций, и станция с не менее чем одним М-портом является концентра­тором.

Последовательность, в которой станции получают доступ к среде, предопределена протоколом сети. Станция генерирует спе­циальную сигнальную последовательность, названную маркером (Token), которая определяет право передачи. Этот маркер непре­рывно передают вокруг сети от одного узла к другому. Когда стан­ция собирается послать сообщение, она задерживает маркер, формирует информацию в определенный пакет (фрейм, кадр) FDDI, затем отпускает маркер. Заголовок такого кадра включает адрес станции (й), которая является его получателем. Каждая станция читает кадр, поскольку он передается вдоль кольца, что­бы определить, является ли она адресатом. Если это так, она из­влекает данные, передавая кадр далее по кольцу. Когда кадр воз­вращается к станции возникновения, он ликвидируется. Схема эстафетного управления доступом позволяет всем станциям со­вместно использовать сетевую полосу пропускания в упорядочен­ном и эффективном режиме.

//

WAN

Первичное ^ кольцо

if \\ ^м"^п° р ^ть| Я Я &

Одно из самых больших достоинств FDDI — это высокая на­дежность. Эта схема позволяет функционировать сети, даже при обрыве кабеля. При этом устройства на обоих концах разрыва начинают работать как заглушки, и система продолжает функ­ционировать как одно кольцо.

Быстрый Ethernet. Fast Ethernet (100Base X Ethernet) был офи­циально принят летом 1995 г., спустя два года после того, как группа ведущих сетевых компаний сформировала «Союз Быстро­го Ethernet» (Fast Ethernet Alliance), чтобы разработать стандарт. Быстрый Ethernet (также называемый 100BaseT) работает в 10 раз быстрее lOBaseT, сохраняет тот же самый протокол CSMA/CD, кроме того, использование кабеля категории 5 обеспечивает бо­лее высокую полосу пропускания и вводит новые возможности типа полнодуплексной передачи и автоматического установления связи.

Фактически спецификация Fast Ethernet охватывает три типа схем передачи по различным физическим носителям:

• 100Base-TX, наиболее популярный и в связи с использова­нием проводной связи очень похожий на 10BASE-T. Здесь используется медная витая пара категории 5 для подключе­ния концентраторов, коммутаторов и оконечных узлов по­средством общего с lOBaseT разъема RJ45;

• 100Base-FX, который использет волоконно-оптический кабель;

• 100Base-T4, схема, которая включает использование еще двух пар проводов, чтобы позволить быстрому Ethernet ис­пользовать кабели категории 3 или выше.

В дальнейшем появилось новое решение, обеспечивающее одновременно широкую совместимость решений 10-Мбит/с Ethernet и 100-Мбит/с Fast Ethernet. «Двухскоростная» техноло­гия 10/100-Мбит/с Ethernet/Fast Ethernet позволяет таким устрой­ствам, как сетевые платы, концентраторы и коммутаторы, рабо­тать с любой из этих скоростей (в зависимости от того, к какому устройству они подключены). При подсоединении ПК с сетевой платой 10/100-Мбит/с Ethernet/Fast Ethernet к порту концентра­тора 10 Мбит/с он будет работать со скоростью 10 Мбит/с. Если же подключить его к 10/100-Мбит/с порту концентратора (такого, как 3Com SuperStack II Dual Speed Hub 500), то он автоматически распознает новую скорость и поддерживает 100 Мбит/с. Это дает возможность постепенно, в нужном темпе переходить на более высокую производительность. Кроме того, такой вариант позво­ляет упростить оборудование сетевых клиентов и серверов для поддержки нового поколения приложений, интенсивно исполь­зующих полосу пропускания и сетевые службы.

Гигабит-Ethernet. Следующий шаг в развитии Ethernet управ­лялся «Союзом гигабит-Ethernet» (Gigabit Ethernet Alliance), обра­зованным в 1996 г. Утверждение ряда стандартов гигабит-Ethernet было закончено летом 1999 г., определяя физический уровень ис­пользования комплекса проверенных технологий, включая пер­воначальные спецификации Ethernet и Спецификацию волокон­ного канала AN SI ХЗТ11:

• 1000Base-X — стандарт использует на физическом уровне оптоволоконные каналы и определяет технологию взаимо­связи для подключения рабочих станции, суперЭВМ, нако­пителей информации и периферийных устройств, исполь­зуя волоконно-оптические и проводные (экранированная витая пара) типы носителей;

• 1000Base-T —• стандарт для связи с использованием неэкра- нированной витой пары.

Гигабит-Ethernet является преемственной по отношению к предшественникам (10-Мбит/с и 100-Мбит/с), позволяя про­стой переход к работе с сетями более высокой скорости. Все три скорости Ethernet используют один и тот же формат кадра передачи данных IEEE 802.3, полнодуплексные операции и ме­тоды управления потоком данных. В полудуплексном режиме гигабит-Ethernet использует тот же самый метод множественно­го доступа с опросом несущей и разрешением конфликтов.

Использование одного и того же формата кадра (фрейма) переменной длины (от 64 до 1514 байт) IEEE 802.3 как в Ethernet, так и быстром Ethernet (см. рис. 1.9) является ключом к совместимости, к тому, что существующие устройства Ethernet малого быстродействия могут быть связаны с устройствами ги- габит-Ethernet, используя сетевые коммутаторы или маршрути­заторы, чтобы приспособить одну физическую скорость линии к другой.

Топология 1000Base-T та же самая, как для 100Base-T, линии связи категории 5 ограничиваются 100 метрами и в домене колли­зий разрешен только один повторитель множественного доступа с опросом несущей и разрешением конфликтов. 1000Base-T ис­пользует ту же самую систему автоматического установления свя­зи, как и 100Base-TX, и многие компоненты изделий способны оперировать как с 100 Мбит/с, так и с 1000 Мбит/с.

Быстрый Ethernet обеспечивает скорость 100 Мбит/с, ис­пользуя трехуровневое бинарное кодирование символов и линию связи на 125 Мбод. 100Base-TX использует две пары проводни­ков: одну для передачи, другую — для приема. 1000Base-T также использует линию на 125 Мбод, но при этом — четыре пары проводников и более сложную схему кодирования с пятью уров­нями. Кроме того, прием и передача происходят одновременно по каждой паре. Объединение кодирования с 5 уровнями и 4 пар позволяет 1000Base-T посылать один байт параллельно в каждом импульсе сигнала.

lOOBASEVG-AtiyLAN — технология построения локальных се­тей, поддерживающая форматы данных Ethernet и Token Ring со скоростью передачи 100 Мбит/с по стандартным витым парам и оптоволокну.

В июле 1993 г. по инициативе компаний AT&T и Hewlett-Packard был организован комитет 1ЕЕЕ 802.12, призван­ный стандартизовать новую технологию 100BASEVG. Данная тех­нология представляет собой высокоскоростное расширение стан­дарта IEEE 802.3 (известного также как 100BASE-T или Ethernet на витой паре). Далее компания IBM предложила объединить в новом стандарте поддержку Ethernet и Token Ring. Изменилось и название новой технологии — 100VG-AnyLAN.

Технология должна поддерживать как уже существующие се­тевые приложения, так и вновь создаваемые. На это направлена одновременная поддержка форматов кадров данных и Ethernet, и Token Ring, обеспечивающая прозрачность сетей, построенных по новой технологии, для существующих программ.

Поскольку 100VG призвана заменить собой Ethernet и Token Ring, она поддерживает топологии, применяемые для этих сетей («общая шина» и маркерное «кольцо», соответственно). Физиче­ская топология — обязательно «звезда», петли или ветвления не допускаются. При каскадном подключении хабов между ними допускается только одна линия связи. Образование резервных линий возможно лишь при условии, что в каждый момент ак­тивна ровно одна.

Стандартом предусмотрено до 1024 узлов в одном сегменте сети, но из-за снижения производительности сети реальный максимум — 250 узлов. Похожими соображениями определяется и максимальное удаление между узлами — 2,5 км.

Стандартом не допускается объединение в одном сегменте систем, использующих одновременно форматы Ethernet и Token Ring. Для таких сетей предназначены специальные 100VG- AnyLAN-мосты Token Ring — Ethernet. Зато в случае конфигура­ции 100VG-Ethernet сегмент Ethernet с обычной скоростью об­мена (10 Мбит/с) может быть присоединен посредством просто­го преобразователя скорости. В соответствии с рекомендациями

IEEE 802.ID между двумя узлами одной сети не может быть бо­лее семи мостов.

Для 100BASE-T Ethernet используются кабели, содержащие четыре неэкранированные витые пары. Одна пара служит для передачи данных, другая — для разрешения конфликтов; две ос­тавшиеся пары не используются. Очевидно, что передача данных по всем четырем парам даст выигрыш вчетверо. При работе с экранированными кабелями, характерными для сетей Token Ring, используются две витые пары, но при вдвое большей час­тоте (благодаря тому, что кабель экранирован). При передаче по такому кабелю каждая пара используется в качестве фиксиро­ванного однонаправленного канала. По одной паре передаются входные данные, по другой — выходные. Стандартное удаление узлов, на котором гарантируются параметры передачи, — 100 м для пар третьей и четвертой категории и 200 м для пятой.

Допускается использование оптоволоконных пар. Благодаря такому носителю покрываемое расстояние увеличивается до двух километров. Как и в случае экранированного кабеля, использу­ется двунаправленное соединение.

Все устройства сети, независимо от их назначения, присо­единяются к хабам (или концентраторам). Выделяют два типа со­единений: для связи «вверх» и «вниз». Под связью «вверх» подра­зумевается соединение с хабом более высокого уровня. «Вниз» — это соединение с оконечными узлами и хабами более низкого уровня (по одному порту на каждое устройство или хаб).

Чтобы защитить данные от несанкционированного доступа, реализовано два режима работы каждого порта: конфиденциаль­ный и публичный. В конфиденциальном режиме каждый порт получает только сообщения, адресованные непосредственно ему, в публичном — все сообщения. Обычно публичный режим ис­пользуется для подключения мостов и маршрутизаторов, а также различного рода диагностической аппаратуры.

Для того чтобы повысить производительность системы, адре­сованные конкретному узлу данные только ему и передаются. Данные же, предназначенные для широкого вещания, задержи­ваются до окончания передачи, а затем рассылаются всем або­нентам.

ATM (Asynchronous Transfer Mode), или режим асинхронной передачи, — это технология коммутации, в которой для пере­сылки данных применяются ячейки фиксированной длины. Данную технологию построения высокоскоростных вычисли­тельных сетей с коммутацией пакетов характеризует уникальная масштабируемость — от небольших локальных сетей со скоро­стями обмена 25—50 Мбит/с до трансконтинентальных сетей. Поддерживаются скорости обмена от 25 до 622 Мбит/с с пер­спективой увеличения до 2,488 Гбит/с. В качестве передающей среды используется либо витая пара (до 155 Мбит/с), либо опто­волокно.

Функционируя с высокими скоростями, сети ATM поддержи­вают интегрированную передачу речи, видео и данных в одном канале, выполняя роль локальных и территориально-распреде- ленных сетей. Поскольку их работа отличается от разновидностей Internet и требует специальной инфраструктуры, такие сети в ос­новном применяются в качестве магистральных сетей (backbone), соединяющих и объединяющих сетевые сегменты.

Технология эта разрабатывалась далеко не в расчете на ком­пьютерные сети передачи данных и радикально отличается от обычных сетевых технологий. Основная единица передачи в этом стандарте — это ячейка, в отличие от привычного пакета. Ячейка содержит в себе 48 байт данных и 5 байт заголовка. Час­тично это необходимо, чтобы обеспечить очень маленькое время задержки при передаче мультимедийных данных. Фактически размер ячейки явился компромиссом между стандартами амери­канских телефонных компаний, которые предпочитают размер ячейки 64 байта, и европейскими, у которых он равен 32 байтам.

Устройства ATM устанавливают связь между собой и переда­ют данные по виртуальным каналам связи, которые могут быть временными или постоянными. Постоянный канал связи — это путь, по которому передается информация. Он всегда остается открытым вне зависимости от трафика. Временные каналы соз­даются по требованию и, как только передача данных заканчи­вается, закрываются.

С самого начала ATM проектировался как система коммута­ции с помощью виртуальных каналов связи, которые обеспечи­вают заранее специфицированный уровень качества сервиса (Quality of Service — QoS) и поддерживают постоянную или пе­ременную скорость передачи данных. Модель QoS позволяет приложениям запросить гарантированную скорость передачи между приемником и источником, не обращая внимания на то, сколь сложен путь между ними. Каждый ATM-коммутатор, свя­зываясь с другим, выбирает такой путь, который гарантирует требуемую приложением скорость.

Если система не может удовлетворить запрос, то она сооб­щает об этом приложению. Правда, существующие протоколы передачи данных и приложения не имеют никакого понятия о QoS, так что это еще одно отличное свойство, которое никто не использует.

Например, ATM не имеет встроенной системы широковеща­тельного оповещения (это характерно для ATM, есть идея, но нет стандарта). И хотя широковещательные сообщения — извеч­ная головная боль для любого администратора, в некоторых слу­чаях они просто необходимы. Клиент, который ищет сервер, должен иметь возможность разослать сообщение «Где сервер?», чтобы затем, получив ответ, направлять свои запросы уже непо­средственно по нужному адресу.

ATM является развитием STM (Synchronous Transfer Mode), технологии передачи данных пакетами и речи на большие рас­стояния, традиционно используемой для построения телекомму­никационных магистралей и телефонной сети.

Модель STM представляет собой сетевой механизм с комму­тацией соединений, где соединение устанавливается прежде, чем начнется передача данных, и разрывается после ее окончания. Таким образом, взаимодействующие узлы захватывают и удер­живают канал, пока не сочтут необходимым рассоединиться, не­зависимо от того, передают они данные или «молчат».

Данные в STM передаются посредством разделения всей по­лосы канала на базовые трансмиссионные элементы, называе­мые временными каналами, или слотами. Слоты объединены в обойму, содержащую фиксированное число каналов, пронумеро­ванных от 1 до N. Каждому слоту ставится в соответствие одно соединение. Каждая из обойм (их тоже может быть несколько — от 1 до М) определяет свой набор соединений. Обойма предо­ставляет свои слоты для установления соединения с периодом Т. При этом гарантируется, что в течение этого периода необходи­мая обойма будет доступна. Параметры N, М и Т определяются соответствующими комитетами по стандартизации и различают­ся в Америке и Европе.

В рамках канала STM каждое соединение ассоциируется с фиксированным номером слота в конкретной обойме. Однажды захваченный слот остается в распоряжении соединения в тече­ние всего времени существования этого соединения.

Fibre Channel — оптоволоконная технология с коммутацией физических соединений, предназначенная для приложений, тре­бующих сверхвысоких скоростей. Ориентиры — кластерные вы­числения, организация взаимодействия между суперкомпьюте­рами и высокоскоростными массивами накопителей, поддержка соединений типа «рабочая станция — суперкомпьютер».

Для создания стандарта Fibre Channel (FC) по инициативе компаний IBM, Sun и HP создана Fibre Channel Association.

FC — это технология, обеспечивающая высокоскоростной, двунаправленный асинхронный обмен между двумя точками. Для построения разветвленной сети используются коммутаторы соединений. Последовательный обмен позволяет при относи­тельно малых затратах обеспечить значительную протяженность соединения. В отличие от других канальных архитектур, FC под­держивает сетевой обмен в формате IP. Так как нет необходимо­сти в разделении передающей среды между несколькими або­нентами, для каждого соединения используется вся производи­тельность канала.

Декларированные скорости обмена для линий связи лежат в диапазоне 100 Мбит/с — 1 Гбит/с. Длина каждой такой линии — до 10 км. Двунаправленность канала в случае сбалансированной загрузки обеспечивает удвоенную производительность.

FC-технология предоставляет три класса обслуживания. В от­личие от традиционных сетей, любой класс обслуживания досту­пен всего на двух узлах. Кроме того, каждый класс обслуживания может быть интегрирован с сервисами других протоколов.

Класс 1 — физическое соединение или система с коммутаци­ей соединений.

Класс 2 — коммутация пакетов без установления соедине­ний, когда обеспечивается гарантированная передача с подтвер­ждением о приеме.

Класс 3 — широконаправленное вешание без установления соединений и подтверждения получения.

Поддерживается также смешанный режим, Intermix. В этом режиме вся полоса канала выделяется под прямое соединение, но допускается его разделение передачами без установления со­единений, когда некоторая часть полосы свободна. Смешанный режим обеспечивает доступ даже к тем узлам, которые обладают большой активностью, требующей максимальной пропускной способности.

Для построения FC-сетей в основном применяются три то­пологии.

Первая, применяемая наиболее широко, основана на комму­тации физических каналов и требует как минимум одного пере­ключателя. Вторая — это простое соединение «точка — точка». Третья, называемая «управляемая петля» (Arbitrated Loop), не требует наличия переключателей и использует медленные кабе­ли, поэтому обладает ограничениями по полосе пропускания и возможному удалению узлов.

Все соединения являются физическими, и каждое из них имеет фиксированные концы, определяемые в момент инициа­лизации соответствующих узлов. В качестве узла может высту­пать интерфейс внешней сети, например ATM или FDDI.

В явном виде протокол спецификацией FC не определяется. Считается, что операционной системе уже известны адреса всех устройств, подключенных к FC, а вопрос взаимодействия возло­жен непосредственно на обслуживающие узлы программы.

Дата добавления: 2014-11-29