Технология проектирования сетей Ethernet

Размещено на http://www.allbest.ru/

Технология проектирования сетей Ethernet

1. Обоснование размера (диаметра) сети Ethernet

При выборе конфигурации сети Ethernet, состоящей из сегментов различных типов, возникает много вопросов, связанных, прежде всего, с максимально допустимым размером (диаметром) сети и максимально возможным числом различных элементов. Сеть будет работоспособной только в том случае, если максимальная задержка распространения сигнала в ней не превысит предельной величины. Эта величина определяется выбранным методом управления обменом CSMA/CD (Carrier-Sense Multiple Access with Collision Detection -- множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий), основанным на обнаружении и разрешении коллизий.

Прежде всего напомним, что для получения сложных конфигураций Ethernet из отдельных сегментов применяются концентраторы двух основных типов:

репитерные концентраторы, которые представляют собой набор репитеров и никак логически не разделяют сегменты, подключенные к ним;

коммутирующие {awitching) концентраторы или коммутаторы, которые передают информацию между сегментами, но не передают конфликты с сегмента на сегмент.

Применение репитерного концентратора не разделяет зону конфликта, в то время как каждый коммутирующий концентратор делит зону конфликта на части. В случае коммутатора оценивать работоспособность надо для каждой части сети отдельно, а в случае репитерных концентраторов надо оценивать работоспособность всей сети в целом.

Допустимые размеры сети Ethernet определяются рядом факторов.

Ограничения на длину кабельного сегмента, связанные с затуханием и искажением формы сигнала: 10Base-5 -- 500 м и правило «5-4-3», 10Base-2 -- 185 (300) м и правило «5-4-3», 10Base-T/100Base-TX/100Base-T4 -- 100 м.

Ограничение на количество узлов в домене коллизий: не более 1 024.

3. Ограничение на количество повторителей между любой парой
узлов: Ethernet -- 4, Fast Ethernet -- 1 или 2, Gigabit Ethernet -- 1.

4. Ограничения на размер домена коллизий, связанные со
временем распространения сигнала между конечными узлами
сети: время двойного оборота для Ethernet и Fast Ethernet не
должно превышать 512 bt, для Gigabit Ethernet -- 2 048 bt.

Для сетей на медных кабелях, как правило, достаточно выполнить первые три условия. Оптоволокно, особенно одномодовое, позволяет значительно увеличивать длину кабельного сегмента, но при этом ограничивающим фактором будет выступать задержка распространения сигнала. Задержки 25,6 мкс (для 10 Мбит/с) и 2,6 мкс (для 100 Мбит/с) соответствуют длине стеклянного волокна около 5000 и 500 м.

При описании временных диаграмм сетей типа Ethernet и Fast Ethernet, а также при определении предельных размеров сети широко используются следующие термины.

IPG (interpacket gap, межпакетная щель) -- минимальный промежуток времени между передаваемыми пакетами (9,6 мкс для Ethernet; 0,96 мкс для Fast Ethernet). Другое название -- межкадровый интервал.

ВТ (Bit Time, время бита) -- интервал времени для передачи одного бита (100 не для Ethernet; 10 не для Fast Ethernet).

PDV (Path Delay Value, значение задержки в пути) -- время прохождения сигнала между двумя узлами сети (круговое, то есть удвоенное). Учитывает суммарную задержку в кабельной системе, сетевых адаптерах, повторителях и других сетевых устройствах.

Collision window (окно коллизий) -- максимальное значение PDV для данного сегмента.

Collision domain (область коллизий, зона конфликта) -- часть сети, на которую распространяется ситуация коллизии, конфликта.

6. Slot time (время канала) -- максимально допустимое
окно коллизий для сегмента (512 bt).

Minimum frame size -- минимальный размер кадра (512 бит или 64 байта).

Maximum frame size -- максимальный размер кадра (1 518 байт).

Maximum network diameter (максимальный диаметр сети) -- максимальная допустимая длина сегмента, при которой его окно коллизий не превышает времени канала slot time.

10. Truncated binary exponential back off (усеченная двоичная экспоненциальная отсрочка) -- задержка перед следую
щей попыткой передачи пакета после коллизии (допускается максимум 16 попыток).

Вторая модель, применяемая для оценки конфигурации Ethernet, основана на точном расчете временных характеристик выбранной конфигурации сети. Она иногда позволяет выйти за пределы жестких ограничений модели 1. Применение модели 2 совершенно необходимо в том случае, когда размер проектируемой сети близок к максимально допустимому.

В модели 2 используются две системы расчетов: --» первая система предполагает вычисление двойного (кругового)

времени прохождения сигнала по сети и сравнение его

с максимально допустимой величиной (512 bt); -* вторая система проверяет допустимость сокращения (на 49 bt)

величины получаемого межкадрового временного интервала,

межпакетной щели (IPG -- Inter Packet Gap) в сети.

При этом вычисления в обеих системах расчетов ведутся для наихудшего случая, для пути максимальной длины, то есть для такого пути передаваемого по сети пакета, который требует для своего прохождения максимального времени. При первой системе расчетов выделяются три типа сегментов:

· начальный сегмент -- это сегмент, соответствующий началу пути максимальной длины;

· конечный сегмент -- это сегмент, расположенный в конце пути максимальной длины;

· промежуточный сегмент -- это сегмент, входящий в путь максимальной длины, но не являющийся ни начальным, ни конечным.

Промежуточных сегментов в выбранном пути может быть несколько, а начальный и конечный сегменты при разных расчетах могут меняться местами друг с другом. Выделение трех типов сегментов позволяет автоматически учитывать задержки сигнала на всех концентраторах, входящих в путь максимальной длины, а также в приемопередающих узлах адаптеров.

2. Технология Fast Ethernet (IEEE 802.3u)

ethernet проектирование сеть

Сегодня все чаще возникают повышенные требования к пропускной способности каналов связи между рабочими станциями сети и серверами. Это происходит по разным причинам: повышение производительности клиентских компьютеров; увеличение числа пользователей в сети; появление приложений, работающих с мультимедийной информацией, которая хранится в файлах очень больших размеров; увеличение числа сервисов, работающих в реальном масштабе времени. Следовательно, существует потребность в экономичном решении, предоставляющем нужную пропускную способность во всех перечисленных случаях. Ситуация усложняется еще и тем, что необходимы различные технологические решения: для организации магистралей сети и подключения серверов -- одни, а для подключения настольных клиентов -- другие.

10-мегабитный Ethernet устраивал большинство пользователей на протяжении почти 15 лет.

3. Способы повышения пропускной способности сети

Для повышения пропускной способности сети можно применить несколько способов: сегментация сети с помощью мостов и маршрутизаторов, сегментация сети с помощью коммутаторов и повышение пропускной способности самого протокола.

Сегментация сети с помощью мостов или маршрутизаторов может повысить пропускную способность сегментов сети за счет их разгрузки от трафика других сегментов только в том случае, когда межсегментный трафик составляет незначительную долю от внутрисегментного, поскольку и мосты, и маршрутизаторы не обладают высокой внутренней пропускной способностью.

В начале 90-х годов XX ст. произошло два значительных события, которые дали возможность повысить пропускную способность сегментов локальных сетей и, в первую очередь, сегментов технологии Ethernet.

Первое событие -- появление мостов нового поколения -- коммутаторов, которые в отличие от традиционного моста имеют большое количество портов и обеспечивают передачу кадров между портами одновременно. Это позволяет эффективно применять коммутаторы и для тех сетей, в которых межсегментный трафик не очень отличается от внутрисегментного. Будущее технологии Ethernet после появления коммутаторов стало более устойчивым, так как появилась возможность соединить ее низкую стоимость с высокой производительностью сетей, построенных на основе коммутаторов. Второе событие -- появление экспериментальных сетей, в которых используется протокол Ethernet с более высокой битовой скоростью передачи данных, а именно 100 Мб/с. До этого только технология Fiber Distributed Data Interface (FDDI) обеспечивала такую битовую скорость, но она была специально разработана для построения магистралей сетей и была слишком дорогой для подключения к сети отдельных рабочих станций или серверов.

4. Стандарты Fast Ethernet 100 Мбит/с

Варианты Fast Ethernet со скоростью передачи данных 100 Мбит/с описываются стандартом IEEE 802.3u -- дополнительными главами 802.3, принятыми в 1995 году. Они основаны на том же методе доступа CSMA/CD с сохранением форматов кадров. Все разновидности Fast Ethernet используют звездообразную топологию с активным устройством в центре; возможно и непосредственное соединение пары станций.

100Base-TX -- наиболее популярная версия Fast Ethernet, использующая две витые пары категории 5. По использованию разъемов полностью соответствует 10Base-T. Возможна работа в полудуплексном и полнодуплексном режимах.

100Base-T4 -- версия, использующая 4 витые пары категории не ниже 3.

100Base-FX -- версия для оптоволокна с длиной волны 1300 нм.

100Base-SX -- новый стандарт на дешевых коротковолновых (830 нм) светодиодных передатчиках и многомодовом волокне.

Топологические ограничения Fast Ethernet жестче -- диаметр домена коллизий для витой пары не должен превышать 205 м, в одном домене коллизий может быть не более двух повторителей класса II, повторитель класса I может быть только один.

5. Случаи использования Fast Ethernet

Технология Fast Ethernet имеет несколько ключевых свойств, которые определяют области и ситуации ее эффективного применения. К этим свойствам относятся: большая степень преемственности по отношению к классическому 10-мегабитно-му Ethernet; высокая скорость передачи данных -- 100 Мб/с; возможность работать на всех основных типах современной кабельной проводки -- UTP категории 5, UTP категории 3, STP Туре I, многомодовом оптическом волокне.

Наличие многих общих черт у технологий Fast Ethernet и Ethernet дает общую рекомендацию -- Fast Ethernet следует применять в тех организациях и в тех частях сетей, где до этого широко применялся 10-мегабитный Ethernet, но сегодняшние условия или же ближайшие перспективы требуют в этих частях сетей более высокой пропускной способности. При этом сохраняется весь опыт обслуживающего персонала, привыкшего к особенностям и типичным неисправностям сетей Ethernet. Кроме того, можно по-прежнему использовать средства анализа протоколов, работающие с агентами MIB-II, RMON MIB и привычными форматами кадров.

Организаций, широко применяющих Ethernet, весьма много, так как она была и остается наиболее эффективной технологией по соотношению цена -- производительность среди низкоскоростных (4-20 Мб/с) технологий. Это свойство относится теперь и к Fast Ethernet, но применительно к технологиям со скоростью 100 Мб/с. Однако Fast Ethernet, кроме положительных свойств, унаследовала и недостатки технологии Ethernet -- большие задержки доступа к среде при коэффициенте ее использования выше 30-40 %, являющиеся следствием применения алгоритма доступа CSMA/CD;

Технология Fast Ethernet имеет несколько ключевых свойств, которые определяют области и ситуации ее эффективного применения. К этим свойствам относятся: большая степень преемственности по отношению к классическому 10-мегабитно-му Ethernet; высокая скорость передачи данных -- 100 Мб/с; возможность работать на всех основных типах современной кабельной проводки -- UTP категории 5, UTP категории 3, STP Туре I, многомодовом оптическом волокне.

Наличие многих общих черт у технологий Fast Ethernet и Ethernet дает общую рекомендацию -- Fast Ethernet следует применять в тех организациях и в тех частях сетей, где до этого широко применялся 10-мегабитный Ethernet, но сегодняшние условия или же ближайшие перспективы требуют в этих частях сетей более высокой пропускной способности. При этом сохраняется весь опыт обслуживающего персонала, привыкшего к особенностям и типичным неисправностям сетей Ethernet. Кроме того, можно по-прежнему использовать средства анализа протоколов, работающие с агентами MIB-II, RMON MIB и привычными форматами кадров.

Организаций, широко применяющих Ethernet, весьма много, так как она была и остается наиболее эффективной технологией по соотношению цена -- производительность среди низкоскоростных (4-20 Мб/с) технологий. Это свойство относится теперь и к Fast Ethernet, но применительно к технологиям со скоростью 100 Мб/с. Однако Fast Ethernet, кроме положительных свойств, унаследовала и недостатки технологии Ethernet -- большие задержки доступа к среде при коэффициенте ее использования выше 30-40 %, являющиеся следствием применения алгоритма доступа CSMA/CD; небольшие расстояния между узлами, даже при использовании оптического волокна -- следствие метода обнаружения коллизий; отсутствие определения резервных связей в стандарте, а также поддержки приоритетного трафика приложений реального времени.

6. Обоснование размера (диаметра) сети Fast Ethernet

Точно так же, как и в случае Ethernet, для определения работоспособности сети Fast Ethernet стандарт IEEE 802.3 предлагает две модели, называемые Transmission System Model 1 и Transmission System Model 2.

Правила модели 1. В соответствии с первой моделью, при выборе конфигурации в любом случае надо руководствоваться следующими принципами:

1. Сегменты, выполненные на электрических кабелях (витых парах) не должны быть длиннее 100 м. Это относится к кабелям всех возможных категорий -- 3, 4 и 5, к сегментам 100Base-T4 и 100Base-TX.

Сегменты, выполненные на оптоволоконных кабелях, не должны быть длиннее 412 м.

Если используются адаптеры с внешними (выносными) трансиверами, то трансиверные кабели не должны быть длиннее 5 м.

Модель 1 выделяет три возможных конфигурации сети Fast Ethernet:

Соединение двух абонентов (узлов) сети напрямую, без репитера или концентратора. Абонентами при этом могут выступать не только компьютеры, но и сетевой принтер, порты коммутатора, моста или маршрутизатора. Это соединение называется соединением DTE-DTE или «двухточечным.

Соединение двух абонентов сети с помощью одного репи-терного концентратора класса I или класса И.

Соединение двух абонентов сети с помощью двух репитерных концентраторов класса II. При этом предполагается, что для связи концентраторов всегда используется электрический кабель длиной не более 5 м. Концентраторы класса II имеют меньшую задержку, поэтому их может быть два. Использование трех концентраторов в соответствии с моделью 1 не допускается.

В случае первой конфигурации правила модели 1 предельно простые: электрический кабель -- не длиннее 100 м; полудуплексный оптоволоконный -- не длиннее 412 м; нолнодуплексный оптоволоконный -- 2 000 м. В случае применения конфигурации с одним концентратором надо ограничивать длину кабелей сети в соответствии с табл. 1.

Таблица 1 Максимальная длина кабелей в конфигурации с одним концентратором

В случае выбора конфигурации с двумя концентраторами (рис. 1) надо ограничивать длину кабелей Аийв соответствии с табл. 2 (по умолчанию предполагается, что кабель С имеет длину 5 м).

Таблица 2 Максимальная длина кабелей в конфигурации с двумя концентраторами

В обеих конфигурациях с концентраторами при одновременном использовании электрического и оптоволоконного кабелей можно за счет уменьшения длины электрического кабеля увеличить длину оптоволоконного кабеля. Причем уменьшению длины электрического кабеля на 1 м соответствует увеличение длины оптоволоконного кабеля на 1,19 м. Например, уменьшив кабель ТХ на 10 м, можно увеличить кабель FX на 11,9 м, и его предельная длина составит при двух концентраторах 128,1 м. Немного увеличится и предельный размер сети (в нашем примере -- на 1,9 м).

В случае использования двух оптоволоконных кабелей можно уменьшать один из кабелей за счет увеличения другого.

Пример сети максимальной конфигурации в соответствии с первой моделью для витой пары показан на рис. 2.

Концентратор Концентратор

класса 2 класса 2

Пример максимальной конфигурации сети Fast Ethernet

Здесь максимальный размер зоны конфликта складывается из сегментов А, В и С, то есть составляет

100 + 5 + 100 = 205 м,

что удовлетворяет условию работоспособности сети (табл. 1, верхняя строчка). Отметим, что сегмент D также входит в зону конфликта, так как коммутатор тоже является полноправным передатчиком пакетов сети. Поэтому длина сегмента D также не может превышать в нашем случае 100 м, чтобы суммарная длина сегментов А, В и D не превысила все тех же 205 м. Сегменты, отделенные от рассматриваемой зоны конфликта коммутатором, никак не влияют на ее работоспособность.

Размещено на Allbest.ru