Высокоскоростные сети

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

Высокоскоростные сети

Введение

Новые требования к производительности сетей, предъявляемые современными приложениями, такими как мультимедиа, распределенные вычисления, системы оперативной обработки транзакций, вызывают насущную необходимость расширения соответствующих стандартов. Привычный десятимегабитный Ethernet, долгое время занимающий главенствующие позиции, во всяком случае, глядя из России, активно вытесняется более современными и существенно более быстрыми технологиями передачи данных.

На рынке высокоскоростных (более 100 Мбит/с) сетей, пару лет назад представленных лишь сетями FDDI, сегодня предлагается около десятка различных технологий, как развивающих уже существующие стандарты, так и основанных на концептуально новых. Среди них следует особо выделить:

Старый добрый оптоволоконный интерфейс FDDI, а также его расширенный вариант, FDDI II, специально адаптированный для работы с информацией мультимедиа, и CDDI, реализующий FDDI на медных кабелях. Все версии FDDI поддерживают скорость обмена 100 Мбит/с.

100Base X Ethernet, представляющую собой высокоскоростной Ethernet с множественным доступом к среди и обнаружением коллизий. Данная технология - экстенсивное развитие стандарта IEEE802.3.

100Base VG AnyLAN, новую технологию построения локальных сетей, поддерживающую форматы данных Ethernet и Token Ring со скоростью передачи 100 Мбит/сек по стандартным витым парам и оптоволокну.

Gigabit Ethernet. Продолжение развития сетей Ethernet и Fast Ethernet.

ATM, технологию передачи данных, работающую как на существующем кабельном оборудовании, так и на специальных оптических линиях связи. Поддерживает скорости обмена от 25 до 622 Мбит/сек с перспективой увеличения до 2.488 Гбит/сек. Fibre Channel, оптоволоконную технологию с коммутацией физических соединений, предназначенную для приложений, требующих сверхвысоких скоростей. Ориентиры - кластерные вычисления, организация взаимодействия между суперкомпьютерами и высокоскоростными массивами накопителей, поддержка соединений типа рабочая станция - суперкомпьютер. Декларированы скорости обмена от 133 Мбит до гигабита в секунду (и даже более).

Заманчивы, но далеко не ясны очертания технологии FFOL (FDDI Follow on LAN), инициативы ANSI, призванной в будущем заменить FDDI с новым уровнем производительности 2.4 Гбайт/сек.

требование высокоскоростная сеть стандарт fddi

АТМ

АТМ - ребенок телефонных компаний. Технология эта разрабатывалась далеко не в расчете на компьютерные сети передачи данных. ATM 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 передачи мультимедийных данных. (Фактически, размер ячейки явился компромиссом между американским телефонными компаниями, которые предпочитают размер ячейки 64 байта, и европейскими, у которых он равен 32 байтам).

Устройства АТМ 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 АТМ 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 АТМ - 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.

Благодаря наличию таких полезных свойств АТМ никого не удивляет всеобщее желание продолжать совершенствование этот стандарт. Но пока существующие реализации оборудования довольно ограничены первоначальным подходом, который ориентировался на другие, некомпьютерные, задачи.

Например, АТМ не имеет встроенной системы широковещательного оповещения (это характерно для АТМ, 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?", что бы затем, получив ответ, направлять свои запросы уже непосредственно по нужному адресу.

Форум АТМ специально разработал спецификации для эмуляции сети - LAN emulation (LANE). LANE превращает "точка-точка"-ориентированную АТМ сеть в обычную, где клиенты и серверы видят ее как нормальную широковещательную сеть, использующую протокол IP (а скоро и IPX). LANE состоит из четырех различных протоколов: протокола конфигурации сервера (LAN emulation configuration service - LECS), протокола сервера (LAN emulation server - LES), протокола общего вещания и неизвестного сервера (Broadcast and Unknown Server - BUS) и протокола клиента (LAN emulation client - LEC).

Когда клиент с помощью LANE пытается подключиться к сети АТМ, то первоначально он использует протокол LECS. Поскольку АТМ не поддерживает широковещательных сообщений, форум АТМ выделил специальный адрес LECS, который никто другой уже не использует. Посылая сообщение по этому адресу клиент получает адрес соответствующего ему LES. Уровень LES обеспечивает необходимые функции ELAN (emulated LAN). С их помощью клиент может получить адрес BUS-сервиса и послать ему сообщение "подключился такой-то клиент", чтобы затем BUS уровень мог, получая сообщения, переслать его всем зарегистрировавшимся клиентам.

Для того чтобы использовать не АТМ протоколы, необходимо использовать LEC. LEC работает как конвертор, эмулируя обычную топологию сети, которую подразумевает IP. Поскольку LANE только моделирует Ethernet, то он может устранить некоторые старые технологические ошибки. Каждый ELAN может использовать различные размеры пакетов. ELAN, который обслуживает станции, подключенные с помощью обычного Ethernet, использует пакеты размером 1516 байт, в то время как ELAN обеспечивающий связь между серверами может посылать пакеты по 9180 байт. Всем этим управляет LEC.

LEC перехватывает широковещательные сообщения и посылает их BUS. Когда BUS получает такое сообщение, то посылает его копию каждому зарегистрировавшемуся LEC. Одновременно, перед тем как разослать копии, он преобразует пакет обратно в Ethernet-форму, указывая вместо своего адреса широковещательный.

Размер ячейки в 48 байт плюс пятибайтовый заголовок является причиной того, что только 90,5% пропускной полосы тратится на передачу полезной информации. Таким образом, реальная скорость передачи данных - всего лишь 140 Мбит/с. И это без учета накладных расходов на установку связи и прочие служебные взаимодействия между различными уровнями протоколов - BUS и LECS.

Да, АТМ - сложная технология и пока его использование ограничивает LANE. Все это сильно сдерживает широкое распространению данного стандарта. Правда, существует обоснованная надежда, что он действительно будет применяться, когда появятся приложения, которые смогут воспользоваться преимуществами АТМ непосредственно.

ATM - данной аббревиатурой может обозначаться технология асинхронной передачи данных (Asynchronous Transfer Mode), а не только Adobe Type Manager или Automatoc Teller Machine, что многим может показаться более привычным. Данную технологию построения высокоскоростных вычислительных сетей с коммутацией пакетов характеризует уникальная масштабируемость от небольших локальных сетей скоростями обмена 25-50 Мбит/сек до трансконтинентальных сетей.

В качестве передающей среды используется либо витая пара (до 155 Мбит/сек) либо оптоволокно.

ATM является развитием STM (Synchronous Transfer Mode), технологии передачи пакетованных данных и речи на большие расстояния, традиционно используемой для построения телекоммуникационных магистралей и телефонной сети. Поэтому прежде всего мы рассмотрим STM.

Модель STM

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 ставиться 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, M 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.

Неправда ли, немного напоминает вокзал, от которого в определенном направлении с периодом Т отбывает поезд? Если среди пассажиров есть тот, которому этот поезд подходит, он занимает свободное место. Если такого пассажира нет, то место остается пустым и не может быть занято никем другим. Естественно, что пропускная способность такого канала теряется, к тому же осуществить одновременно все потенциальные соединения (M*N) невозможно.

Переход на ATM

Исследования применения оптоволоконных каналов в трансокеанских и трансконтинентальных масштабах выявили ряд особенностей передачи данных разных типов. В современных коммуникациях можно выделить два типа запросов:

- передача данных, устойчивых к некоторым потерям, но критичным к возможных задержкам (например, сигналы телевидения высокой четкости и звуковая информация);

- передача данных, не очень критичных к задержкам, но не допускающих потерь информации (этот тип передачи, как правило, относится к межкомпьютерным обменам).

Передача разнородных данных приводит к периодическому возникновению запросов на обслуживанию запросов на обслуживание, требующих большой полосы пропускания, но при малом времени передачи. Узел, порой, требует пиковой производительности канала, но происходит это относительно редко, занимая, скажем, одну десятую времени. Для такого вида канала реализуется одно из десяти возможных соединений, на чем, естественно, теряется эффективность использования канала. Было бы замечательно, если бы существовала возможность передать временно неиспользуемый слот другому абоненту. Увы, в рамках модели STM это невозможно.

Модель ATM была взята на вооружение одновременно AT&T и несколькими европейскими телефонными гигантами. (Кстати, это может привести к появлению сразу двух стандартов на спецификацию ATM.)

Главная идея заключалась в том, что необходимости в жестком соответствии соединения и номера слота нет. Достаточно передавать индентификатор соединения вместе с данными на любой свободный слот, сделав при этом пакет настолько маленьким, чтобы в случае потери утрата легко восполнялась бы. Все это изрядно смахивает на коммутацию пакетов и даже называется похоже: "быстрая коммутация коротких пакетов фиксированной длины". Короткие пакеты весьма привлекательны для телефонных компаний, стремящихся сохранить аналоговые линии STM.

В сети ATM два узла находят друг друга по "виртуальному идентификатору соединения" (Virtual Circuit Identifier - VCI), используемому вместо номеров слота и обоймы в модели STM. Быстрый пакет передается в такой же слот, как и раньше, но без каких-либо указаний или идентификатора.

Статистическое мультиплексирование

Быстрая коммутация пакетов позволяет решить проблему неиспользуемых слотов посредством статистического мультиплексирования нескольких соединений по одной линии связи в соответствии с параметрами их трафика. Другими словами, если большое число соединений носят импульсный характер (соотношение пиковой активности к средней - 10 или более к 1), есть надежда, что пики активности разных соединений будут совпадать не слишком часто. В случае совпадения один из пакетов буферизуется пока не появятся свободные слоты. Такой способ организации соединений при правильно подобранных параметрах позволяет эффективно загружать каналы. Статистическое мультиплексирование, неосуществимое в STM, и является основным достоинством ATM.

Типы сетевых пользовательских интерфейсов ATM

Прежде всего - это интерфейс, ориентированный на подключение к локальным сетям, оперирующим кадрами данных (семейства IEEE 802.x и FDDI). В этом случае аппаратура интерфейса должна транслировать кадры локальной сети в элемент передачи сети ATM, выступающей в качестве глобальной магистрали, связывающей два значительно удаленных друг от друга сегмента локальной сети.

Альтернативой может служить интерфейс, предназначенный для обслуживания конечных узлов, непосредственно оперирующих форматами данных ATM. Такой подход позволяет повысить эффективность сетей, требующих значительных объемов передачи данных. Для подключения конечных пользователей к такой сети используются специальные мультиплексоры.

В целью администрирования такой сети на каждом устройстве исполняется некоторый "агент", поддерживающий обработку административных сообщений, управление подключениями и обработку данных соответствующего протокола управления.

Формат данных ATM

Пакет ATM, определенный специальным подкомитетом ANSI, должен содержать 53 байта.

5 байтов занято заголовком, остальные 48 - содержательная часть пакета. В заголовке 24 бита отдано идентификатору VCI, 8 бит - контрольные, оставшиеся 8 бит отведены для контрольной суммы. Из 48 байт содержательной части 4 байта может быть отведено для специального адаптационного уровня ATM, а 44 - собственно под данные. Адаптационные байты позволяют объединять короткие пакеты ATM в более крупные сущности, например, в кадры Ethernet. Контрольное поле содержит служебную информацию о пакете.

Уровень протокола ATM

Место ATM в семиуровневой модели ISO - где-то в районе уровня передачи данных. Правда, установить точное соответствие нельзя, поскольку ATM сама занимается взаимодействием узлов, контролем прохождения и маршрутизацией, причем осуществляется это на уровне подготовки и передачи пакетов ATM. Впрочем, точное соответствие и положение ATM в модели ISO не столь важны. Более существенно - понять способ взаимодействия с существующими сетями TCP/IP и в особенности с приложениями, требующими непосредственного взаимодействия с сетью.

Приложениям, имеющим непосредственный интерфейс ATM, доступны преимущества, предоставляемые гомогенной сетевой средой ATM.

Основная нагрузка возложена на уровень "Управления виртуальными соединениями ATM", дешифрующий специфические заголовки ATM, устанавливающий и разрывающий соединений, осуществляющий демультиплексирование и выполняющий действия, которые от него требуются управляющим протоколом.

Физический уровень

Хотя физический уровень и не является частью спецификации ATM, он учитывается многими стандартизующими комитетами. В основном, в качестве физического уровня рассматривается спецификация SONET (Synchronous Optical Network) - международный стандарт на высокоскоростую передачу данных. Определены четыре типа стандартных скоростей обмена: 51, 155, 622 и 2400 Мбит/сек, соответствующих международной иерархии цифровой синхронной передачи (Synchronous Digital Hierarchy - SDH). SDH специфицирует, каким образом данные фрагментируются и передаются синхронно по оптоволоконным каналам, не требуя при этом синхронизации каналов и тактовых частот всех узлов, участвующих в процессе передачи и восстановления данных.

Контроль прохождения данных

Из-за высокой производительности сетей ATM механизм, традиционно используемый в сетях ТСР, непригоден. Если бы контроль прохождения был возложен на обратную связь, то за время, пока сигнал обратной связи, дождавшись выделения канала и пройдя все стадии преобразования, достигнет источника, тот успеет передать несколько мегабайт в канал, не только вызвав его перегрузку, но, возможно, полностью блокировав источник перегрузки. Большинство стандартизующих организаций согласно с необходимостью целостного подхода к контролю прохождения. Его суть такова: управляющие сигналы формируются по мере прохождения данных на любой участке цепи и отрабатываются на любой ближайшем передающем узле. Получив соответствующий сигнал, пользовательский интерфейс может выбрать, как ему поступить - уменьшить скорость передачи или сообщить пользователю о том, что переполнение имеет место. В основном, идея контроля прохождения в сетях ATM сводится к воздействию на локальный сегмент, не затрагивая при этом сегментов, чувствующих себя хорошо, и добиваясь максимальной пропускной способности там, где это возможно.

Стек протоколов пользовательского интерфейса в TCP/IP	Непосредственный интерфейс ATM
Данные	Приложение, канализирующее данные
TCP	Интерфейс приложения ОС
IP	Управление виртуальными соединениями ATM
Прикладной уровень ATM
Уровень передачи данных	Драйвер интерфейса ATM
Физический уровень (SONET)	ATM

100VG-AnyLAN

В июле 1993 года по инициативе компаний AT&T и Hewlett-Packard был организован новый комитет IEEE 802.12, призванный стандартизовать новую технологию 100BaseVG. Данная технология представляла собой высокоскоростное расширение стандарта IEEE 802.3 (известного также как 100BaseT, или Ethernet на витой паре).

В сентябре 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.

С некоторых пор витая пара повсеместно заменяет коаксильные кабели. Ее преимущества - большая мобильность и надежность, низкая стоимость и более простое администрирование сети. Процесс вытеснения коаксильных кабелей идет и у нас. Стандарт 100VG-AnyLAN ориентирован как на витые пары (для использования пригодно любое имеющееся кабельное хозяйство), так и на оптоволоконные линии, допускающие значительную удаленность абонентов. Впрочем, на скорости обмена применение оптоволокна не сказывается.

Топология

Поскольку 100VG призвана заменить собой Ethernet и Token Ring, она поддерживает топологии, применяемые для этих сетей (логически 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 более скромен - 250 узлов. Похожими соображениями определяется и максимальное удаление между наиболее удаленными узлами - два с половиной километра.

К сожалению, 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/сек) может быть присоединен посредством простого преобразователя скорости.

В соответствии с рекомендациями IEEE 802.1D между двумя узлами одной сети не может быть более семи мостов.

Оборудование

Передающие среды. Для 100Base-T Ethernet используются кабели, содержащие четыре неэкранированные витые пары. Одна пара служит для передачи данных, одна - для разрешения конфликтов; две оставшиеся пары не используются. Очевидно, что передача данных по всем четырем парам даст выигрыш вчетверо. Замена стандартного "манчестерского" кода более эффективным - 5B6B NRZ - дает выигрыш еще почти вдвое (за счет передачи двух битов данных за один такт). Таким образом, при лишь незначительно повышении несущей частоты (около 20%), производительность линии связи повышается в десять раз. 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 метров для пар третьей и четвертой категории и 200 метров для пятой.

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

Хабы 100VG могут соединяться каскадом, что обеспечивает максимальное расстояние между узлами в одном сегменте на неэкранированных кабелях до 2.5 километров.

Хабы. Главным действующим лицом при построении сети 100VG-AnyLAN является хаб (или концентратор). Все устройства сети, независимо от их назначения, присоединяются к хабам. 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, буферизуются до окончания передачи, а затем рассылаются всем абонентам.

100VG-AnyLAN и модель OSI

В предполагаемом стандарте IEEE 802.12, 100VG-AnyLAN определяется на уровне передачи данных (2-й уровень семиуровневой модели ISO) и на физическом уровне (1-й уровень ISO). Уровень передачи данных разбит на два подуровня: логического контроля соединения (LLC - Logical Link Control) и контроля доступа к среде (MAC - Medium Access Control).

Стандартом OSI на уровень передачи данных возлагается ответственность за обеспечение надежной передачи данных между двумя узлами сети. Получая пакет для передачи от более высокого сетевого уровня, уровень передачи данных присоединяет к этому пакету адреса получателя и отправителя, формирует из него набор кадров для передачи и обеспечивает избыточность, необходимую для выявления и исправления ошибок. Уровень передачи данных обеспечивает поддержку форматов кадров Ethernet и Token Ring.

Верхний подуровень - логического контроля соединений - обеспечивает режимы передачи данных как с установлением, так и без установления соединения.

Нижний подуровень - контроля доступа к среде - при передаче обеспечивает окончательное формирование кадра передачи в соответствии с протоколом, реализованным в данном сегменте (IEEE 802.3 или 802.5). Если же речь идет о получении пакета, подуровень выясняет соответствие адреса, осуществляет проверку контрольной суммы и определяет ошибки передачи.

Логически MAC-подуровень можно разделить на три основных компонента: протокол приоритета запросов, система тестирования соединений и система подготовки кадров передачи.

Протокол приоритетов запросов - Demand Priority Protocol (DPP) - трактуется стандартом 100VG-AnyLAN как составная часть MAC-подуровня. DPP определяет порядок обработки запросов и установления соединений.

Когда конечный узел готов передать пакет, он отправляет хабу запрос обычного или высокого приоритета. Если узлу нечего передать, он отправляет сигнал "свободен". Если узел не активен (например, компьютер выключен), он, естественно, ничего не посылает. В случае каскадного соединения хабов при запросе узлом передачи у хаба нижнего уровня последний транслирует запрос "вверх".

Хаб циклически опрашивает порты, выясняя их готовность к передаче. Если к передаче приготовились сразу несколько узлов, хаб анализирует их запросы, опираясь на два критерия - приоритет запроса и физический номер порта, к которому присоединен передающий узел.

Сначала, естественно, обрабатываются запросы высокого приоритета. Такие приоритеты используются приложениями, критичными к времени реакции, например, полноформатными системами мультимедиа. Администратор сети может ассоциировать выделенные порты с высокими приоритетами. Для того, чтобы избежать потерь производительности, вводится специальный механизм, не допускающий присвоения высокого приоритета всем запросам, исходящим от одного узла. Сделанные одновременно несколько запросов высокого приоритета обрабатываются в соответствии с физическим адресом порта.

После того, как обработаны все высокоприоритетные запросы, обрабатываются запросы нормального приоритета, в порядке, также определяемом физическим адресом порта. Чтобы обеспечить гарантированное время отклика, нормальному запросу, прождавшему 200-300 миллисекунд, присваивается высокий приоритет.

При опросе порта, к которому подключен хаб нижнего уровня, инициируется опрос его портов и только после этого возобновляется опрос портов старшего хаба. Таким образом, все конечные узлы опрашиваются последовательно, независимо от уровня хаба, с которым они соединены.

Система тестирования соединений. При тестировании соединений станция и ее хаб обмениваются специальными тестовыми пакетами. Одновременно все остальные хабы получают уведомление о том, что где-то в сети происходит тестирование. Кроме верификации соединений можно получить информацию о типах устройств, подключенных к сети (хабах, мостах, шлюзах и конечных узлах), режимах их функционирования и адресах. Тестирование соединений происходит при каждой инициализации узла и при каждом превышении заданного уровня ошибок передачи. Тестирование соединений между хабами аналогично тестированию соединений конечного узла.

Подготовка кадра передачи. Прежде, чем передать данные на физический уровень, необходимо дополнить его служебными заголовком и окончанием, включающими в себя заполнения поля данных (если это необходимо), адреса абонентов и контрольные последовательности.

Кадр передачи 100VG-AnyLAN

Предполагаемый стандарт IEEE-802.12 поддерживает три типа форматов кадров передачи данных: IEEE 802.3 (Ethernet), IEEE 802.5 (Token Ring) и специальный формат кадров тестирования соединений IEEE 802.3.

Стандарт ограничивает допустимую организацию сетей, запрещая использование различных форматов кадров в рамках одного сегмента сети. Каждый сегмент может поддерживать только один логический стандарт, а для построения гетерогенных сетей предписывается применение специальных мостов.

Порядок передачи данных для форматов Ethernet и Token Ring одинаков (первым передается байт старшего разряда, последним - младшего). Различается лишь порядок битов в байтах: в формате Ethernet первыми передаются младшие биты, а в Token Ring - старшие.

Кадр Ethernet (IEEE 802.3) должен содержать следующие поля:

DA - адрес получателя пакет (6 байт);

SA - адрес отправителя (6 байт);

L - указатель длины данных (2 байта);

данные пользователя и заполнители;

FCS - контрольная последовательность.

Кадр Token Ring (IEEE 802.5) содержит большее число полей. Некоторые из них протоколом 100VG-AnyLAN не используются, а сохранены лишь для того, чтобы обеспечить совместимость данных с сегментами 4 и 16 Мбит/сек (при обмене через соответствующие мосты):

АС - поле контроля доступа (1 байт, не используется);

FC - поле контроля кадра (1 байт, не используется);

DA - адрес получателя (6 байт);

SA - адрес отправителя (6 байт);

RI - информационное поле маршрутизатора (0-30 байт);

поле информации;

FCS - контрольная последовательность (4 байта).

Физический уровень сетей 100VG-AnyLAN

В модели ISO физическому уровню вменяется непосредственный процесс передачи битов данных от одного узла к другому. Разъемы, кабели, уровня сигналов, частоты и другие физические характеристики описываются именно этим уровнем.

В качестве электрического стандарта передачи данных разработчики решили вернуться к известному способу прямого двухуровнего кодирования (NRZ-коду), где высокий уровень сигнала соответствует логической единице, а низкий - нулю. Когда-то, на заре эры цифровой передачи данных, от такого способа отказались. В основном, это было связано с трудностями синхронизации и произошло вопреки большей плотности информации на один такт несущей частоты - два бита за один такт.

Использование кодировки 5B6B, предопределяющей равное число нулей и единиц в передаваемых данных, позволяет получить достаточную синхронизацию. Даже наличие трех битов одного уровня подряд (а большее их число запрещено кодировкой и интерпретируется как ошибка) не успевает привести к рассинхронизации передатчика и приемника.

Таким образом, при избыточности кода 20% пропускная способность канала увеличивается вдвое. При тактовой частоте 30 МГц обеспечивается передача 25 Мбит/сек исходных данных по одной паре, суммарный объем передачи по четырем парам одного кабеля составляет 100 Мбит/сек.

Управление передачей данных в сетях

Сети, построенные на неэкранированной витой паре, используют все четыре пары кабеля и могут функционировать как в полнодуплексном (для передачи сигналов управления), так и полудуплексном режиме, когда все четыре пары используются для передачи данных в одном направлении.

В сетях на экранированной паре или оптоволокне реализованы два однонаправленных канала: один на пример, другой на передачу. Прием и передача данных может осуществляться одновременно.

В сетях на оптоволокне или экранированной паре передача данных происходит аналогично. Небольшие отличия определяются наличием постоянно действующих в обе стороны каналов. Узел, например, может получать пакет и одновременно отправлять запрос на обслуживание.

Fast Ethernet

Ethernet, не смотря на весь его успех, никогда не был элегантным. Сетевые платы имеют только рудиментарные понятие об интеллекте. Они действительно сначала посылают пакет, а только затем смотрят, передавал ли данные кто-либо еще одновременно с ними. Кто-то сравнил Ethernet с обществом, в котором люди могут общаться друг с другом, только когда все кричат одновременно.

Как и его предшественник, Fast Ethernet использует метод передачи данных CSMACD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection - Множественныый доступ к среде с контролем несущей и обнаружением коллизий). За этим длинным и непонятным акронимом скрывается очень простая технология. Когда плата Ethernet должна послать сообщение, то сначала она ждет наступления тишины, затем отправляет пакет и одновременно слушает, не послал ли кто-нибудь сообщение одновременно с ним. Если это произошло, то оба пакета не доходят до адресата. Если коллизии не было, а плата должна продолжать передавать данные, она все равно ждет несколько микросекунд, прежде чем снова попытается послать новую порцию. Это сделано для того, чтобы другие платы также могли работать и никто не смог захватить канал монопольно. В случае коллизии, оба устройства замолкают на небольшой промежуток времени, сгенерированный случайным образом, а затем предпринимают новую попытку передать данные.

Из-за коллизий ни Ethernet, ни Fast Ethernet никогда не смогут достичь своей максимальной производительности 10 или 100 Мбит/с. Как только начинает увеличиваться трафик сети, временные задержки между посылками отдельных пакетов сокращаются, а количество коллизий увеличивается. Реальная производительность Ethernet не может превышать 70% его потенциальной пропускной способности, и может еще ниже, если линия серьезно перегружена.

Ethernet использует размер пакета 1516 байт, который прекрасно подходил, когда он только создавался. Сегодня это считается недостатком, когда Ethernet используется для взаимодействия серверов, поскольку серверы и линии связи имеют обыкновение обмениваться большим количеством маленьких пакетов, что перегружает сеть. Кроме того, Fast Ethernet налагает ограничение на расстояние между подключаемыми устройствами - не более 100 метров и это заставляет проявлять дополнительную осторожность при проектировании таких сетей.

Сначала Ethernet был спроектирован на основе шинной топологии, когда все устройства подключались к общему кабелю, тонкому или толстому. Применение витой пары лишь частично изменило протокол. При использовании коаксиального кабеля коллизия определялась сразу всеми станциями. В случае с витой парой используется "jam" сигнал, как только станция определяет коллизию, то она посылает сигнал концентратору, последний в свою очередь рассылает "jam" всем подключенным к нему устройствам.

Для того чтобы снизить перегрузку, сети стандарта Ethernet разбиваются на сегменты, которые объединяются с помощью мостов и маршрутизаторов. Это позволяет передавать между сегментами лишь необходимый трафик. Сообщение, передаваемое между двумя станциями в одном сегменте, не будет передано в другой и не сможет вызвать в нем перегрузки.

Сегодня при построении центральной магистрали, объединяющей серверы используют коммутируемый Ethernet. Ethernet-коммутаторы можно рассматривать как высокоскоростные многопортовые мосты, которые в состоянии самостоятельно определить, в какой из его портов адресован пакет. Коммутатор просматривает заголовки пакетов и таким образом составляет таблицу, определяющую, где находится тот или иной абонент с таким физическим адресом. Это позволяет ограничить область распространения пакета и снизить вероятность переполнения, посылая его только в нужный порт. Только широковещательные пакеты рассылаются по всем портам.

100BaseT - старший брат 10BaseT

Идея технологии Fast Ethernet родилась в 1992 году. В августе следующего года группа производителей объединилась в Союз Fast Ethernet (Fast Ethernet Alliance, FEA). Целью FEA было как можно скорее получить формальное одобрение Fast Ethernet от комитета 802.3 Института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (Institute of Electrical and Electronic Engineers, IEEE), так как именно этот комитет занимается стандартами для Ethernet. Удача сопутствовала новой технологии и поддерживающему ее альянсу: в июне 1995 года все формальные процедуры были завершены, и технологии Fast Ethernet присвоили наименование 802.3u.

С легкой руки IEEE Fast Ethernet именуется 100BaseT. Объясняется это просто: 100BaseT является расширением стандарта 10BaseT с пропускной способностью от 10 М бит/с до 100 Мбит/с. Стандарт 100BaseT включает в себя протокол обработки множественного доступа с опознаванием несущей и обнаружением конфликтов CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), который используется и в 10BaseT. Кроме того, Fast Ethernet может работать на кабелях нескольких типов, в том числе и на витой паре. Оба эти свойства нового стандарта весьма важны для потенциальных покупателей, и именно благодаря им 100BaseT оказывается удачным путем миграции сетей на базе 10BaseT.

Главным коммерческим аргументом в пользу 100BaseT является то, что Fast Ethernet базируется на наследуемой технологии. Так как в Fast Ethernet используется тот же протокол передачи сообщений, что и в старых версиях Ethernet, а кабельные системы этих стандартов совместимы, для перехода к 100BaseT от 10BaseT требуются

меньшие капитальные вложения, чем для установки других видов высокоскоростных сетей. Кроме того, поскольку 100BaseT представляет собой продолжение старого стандарта Ethernet, все инструментальные средства и процедуры анализа работы сети, а также все программное обеспечение, работающее на старых сетях Ethernet должны в данном стандарте сохранить работоспособность. Следовательно, среда 100BaseT будет знакома администраторам сетей, имеющим опыт работы с Ethernet. А значит, обучение персонала займет меньше времени и обойдется существенно дешевле.

СОХРАНЕНИЕ ПРОТОКОЛА

Пожалуй, наибольшую практическую пользу новой технологии принесло решение оставить протокол передачи сообщений без изменения. Протокол передачи сообщений, в нашем случае CSMA/CD, определяет способ, каким данные передаются по сети от одного узла к другому через кабельную систему. В модели ISO/OSI протокол CSMA/CD является частью уровня управления доступом к среде (Media Access Control, MAC). На этом уровне определяется формат, в котором информация передается по сети, и способ, каким сетевое устройство получает доступ к сети (или управление сетью) для передачи данных.

Название CSMA/CD можно разбить на две части: Carrier Sense Multiple Access и Collision Detection. Из первой части имени можно заключить, каким образом узел с сетевым адаптером определяет момент, когда ему следует послать сообщение. В соответствии с протоколом CSMA, сетевой узел вначале "слушает" сеть, чтобы определить, не передается ли в данный момент какое-либо другое сообщение. Если прослушивается несущий сигнал (carrier tone), значит в данный момент сеть занята другим сообщением - сетевой узел переходит в режим ожидания и пребывает в нем, пока сеть не освободится. Когда в сети наступает молчание, узел начинает передачу. Фактически данные посылаются всем узлам сети или сегмента, но принимаются лишь тем узлом, которому они адресованы.

Collision Detection - вторая часть имени - служит для разрешения ситуаций, когда два или более узла пытаются передавать сообщения одновременно. Согласно протоколу CSMA, каждый готовый к передаче узел должен вначале слушать сеть, чтобы определить, свободна ли она. Однако, если два узла слушают в одно и тоже время, оба они решат, что сеть свободна, и начнут передавать свои пакеты одновременно. В этой ситуации передаваемые данные накладываются друг на друга (сетевые инженеры называют это конфликтом), и ни одно из сообщений не доходит до пункта назначения. Collision Detection требует, чтобы узел прослушал сеть также и после передачи пакета. Если обнаруживается конфликт, то узел повторяет передачу через случайным образом выбранный промежуток времени и вновь проверяет, не произошел ли конфликт.

ТРИ ВИДА FAST ETHERNET

Наряду с сохранением протокола CSMA/CD, другим важным решением было спроектировать 100BaseT таким образом, чтобы в нем можно было применять кабели разных типов - как те, что используются в старых версиях Ethernet, так и более новые модели. Стандарт определяет три модификации для обеспечения работы с разными видами кабелей Fast Ethernet: 100BaseTX, 100BaseT4 и 100BaseFX. Модификации 100BaseTX и 100BaseT4 рассчитаны на витую пару, а 100BaseFX был разработан для оптического кабеля.

Стандарт 100BaseTX требует применения двух пар UTP или STP. Одна пара служит для передачи, другая - для приема. Этим требованиям отвечают два основных кабельных стандарта: EIA/TIA-568 UTP Категории 5 и STP Типа 1 компании IBM. В 100BaseTX привлекательно обеспечение полнодуплексного режима при работе с сетевыми серверами, а также использование всего двух из четырех пар восьмижильного кабеля - две другие пары остаются свободными и могут быть использованы в дальнейшем для расширения возможностей сети.

Впрочем, если вы собираетесь работать с 100BaseTX, используя для этого проводку Категории 5, то вам следует знать и об его недостатках. Этот кабель дороже других восьмижильных кабелей (например Категории 3). Кроме того, для работы с ним требуется использование пробойных блоков (punchdown blocks), разъемов и коммутационных панелей, удовлетворяющих требованиям Категории 5. Нужно добавить, что для поддержки полнодуплексного режима следует установить полнодуплексные коммутаторы.

Стандарт 100BaseT4 отличается более мягкими требованиями к используемому кабелю. Причиной тому то обстоятельство, что в 100BaseT4 используются все четыре пары восьмижильного кабеля: одна для передачи, другая для приема, а оставшиеся две работают как на передачу, так и на прием. Таким образом, в 100BaseT4 и прием, и передача данных могут осуществляться по трем парам. Раскладывая 100 Мбит/с на три пары, 100BaseT4 уменьшает частоту сигнала, поэтому для его передачи довольно и менее высококачественного кабеля. Для реализации сетей 100BaseT4 подойдут кабели UTP Категорий 3 и 5, равно как и UTP Категории 5 и STP Типа 1.

Преимущество 100BaseT4 заключается в менее жестких требованиях к проводке. Кабели Категорий 3 и 4 более распространены, и, кроме того, они существенно дешевле, нежели кабели Категории 5, о чем не следует забывать до начала монтажных работ. Недостатки же состоят в том, что для 100BaseT4 нужны все четыре пары и что полнодуплексный режим этим протоколом не поддерживается.

Fast Ethernet включает также стандарт для работы с многомодовым оптоволокном с 62.5-микронным ядром и 125-микронной оболочкой. Стандарт 100BaseFX ориентирован в основном на магистрали - на соединение повторителей Fast Ethernet в пределах одного здания. Традиционные преимущества оптического кабеля присущи и стандарту 100BaseFX: устойчивость к электромагнитным шумам, улучшенная защита данных и большие расстояния между сетевыми устройствами.

БЕГУН НА КОРОТКИЕ ДИСТАНЦИИ

Хотя Fast Ethernet и является продолжением стандарта Ethernet, переход от сети 10BaseT к 100BaseT нельзя рассматривать как механическую замену оборудования - для этого могут потребоваться изменения в топологии сети.

Теоретический предел диаметра сегмента сети Fast Ethernet составляет 250 метров; это всего лишь 10 процентов теоретического предела размера сети Ethernet (2500 метров). Данное ограничение проистекает из характера протокола CSMA/CD и скорости передачи 100Мбит/с.

Как уже отмечалось ранее, передающая данные рабочая станция должна прослушивать сеть в течение времени, позволяющего убедиться в том, что данные достигли станции назначения.

В сети Ethernet с пропускной способностью 10 Мбит/с (например 10Base5) промежуток времени, необходимый рабочей станции для прослушивания сети на предмет конфликта, определяется расстоянием, которое 512-битный кадр (размер кадра задан в стандарте Ethernet) пройдет за время обработки этого кадра на рабочей станции. Для сети Ethernet с пропускной способностью 10 Мбит/с это расстояние равно 2500 метров (см. Рис. 1).

С другой стороны, тот же самый 512-битный кадр (стандарт 802.3u задает кадр того же размера, что и 802.3, то есть в 512 бит), передаваемый рабочей станцией в сети Fast Ethernet, пройдет всего 250 м, прежде чем рабочая станция завершит его обработку (см. Рис. 2). Если бы принимающая станция была удалена от передающей станции на расстояние свыше 250 м, то кадр мог бы вступить в конфликт с другим кадром на линии где-нибудь дальше, а передающая станция, завершив передачу, уже не восприняла бы этот конфликт. Поэтому максимальный диаметр сети 100BaseT составляет 250 метров (см. Рис.3).

Чтобы использовать допустимую дистанцию, потребуется два повторителя для соединения всех узлов. Согласно стандарту, максимальное расстояние между узлом и повторителем составляет 100 метров; в Fast Ethernet, как и в 10BaseT, расстояние между концентратором и рабочей станцией не должно превышать 100метров. Поскольку соединительные устройства (повторители) вносят дополнительные задержки, реальное рабочее расстояние между узлами может оказаться еще меньше. Поэтому представляется разумным брать все расстояния с некоторым запасом.

Для работы на больших расстояниях придется приобрести оптический кабель. Например, оборудование 100BaseFX в полудуплексном режиме позволяет соединить коммутатор с другим коммутатором или конечной станцией, находящимися на расстоянии до 450 метров друг от друга. Установив полнодуплексный 100BaseFX, можно соединить два сетевых устройства на расстоянии до двух километров.

КАК УСТАНОВИТЬ 100BASET

Кроме кабелей, которые мы уже обсудили, для установки Fast Ethernet потребуются сетевые адаптеры для рабочих станций и серверов, концентраторы 100BaseT и, возможно, некоторое количество коммутаторов 100BaseT.

Адаптеры, необходимые для организации сети 100BaseT, носят название адаптеров Ethernet 10/100 Мбит/с. Данные адаптеры способны (это требование стандарта 100BaseT) самостоятельно отличать 10 Мбит/с от 100 Мбит/с. Чтобы обслуживать группу серверов и рабочих станций, переведенных на 100BaseT, потребуется также концентратор 100BaseT.

При включении сервера или персонального компьютера с адаптером 10/100 последний выдает сигнал, оповещающий о том, что он может обеспечить пропускную способность 100Мбит/с. Если принимающая станция (скорее всего, это будет концентратор) тоже рассчитана на работу с 100BaseT, она в ответ выдаст сигнал, по которому и концентратор, и ПК или сервер автоматически переходят в режим 100BaseT. Если концентратор работает только с 10BaseT, он не подает ответный сигнал, и ПК или сервер автоматически перейдут в режим 10BaseT. В случае мелкомасштабных конфигураций 100BaseT можно применить мост или коммутатор 10/100, которые обеспечат связь части сети, работающей с 100BaseT, с уже существующей сетью 10BaseT. ОБМАНЧИВАЯ БЫСТРОТА Подытоживая все вышесказанное, заметим, что, как нам кажется, Fast Ethernet наиболее хорош для решения проблем высоких пиковых нагрузок. Например, если кто-то из пользователей работает с САПР или программами обработки изображений и нуждается в повышении пропускной способности, то Fast Ethernet может оказаться хорошим выходом из положения. Однако если проблемы вызваны избыточным числом пользователей в сети, то 100BaseT начинает тормозить обмен информацией при примерно 50-процентной загрузке сети- иными словами, на том же уровне, что и 10BaseT. Но в конце концов, это ведь не более чем расширение 10BaseT.

Сети Gigabit Ethernet.

Вопрос “Gigabit Ethernet - это Ethernet или нет?” отнюдь не праздный, и, хотя Gigabit Ethernet Alliance отвечает на него утвердительно на том основании, что эта технология использует тот же формат кадров, тот же метод доступа к среде передачи CSMA/CD, те же механизмы контроля потоков и те же управляющие объекты, все же Gigabit Ethernet отличается от Fast Ethernet больше, чем Fast Ethernet от Ethernet. (К тому же, например, Hewlett-Packard полагает, что он имеет больше сходства со 100VG-AnyLAN, чем с Fast Ethernet.) В частности, если для Ethernet было характерно разнообразие поддерживаемых сред передачи, что давало повод говорить о том, что он может работать хоть по колючей проволоке, то в Gigabit Ethernet волоконно-оптические кабели становятся доминирующей средой передачи (это, конечно, далеко не единственное отличие, но с остальными мы подробнее познакомимся ниже). Кроме того, Gigabit Ethernet ставит несравнимо более сложные технические задачи и предъявляет гораздо более высокие требования к качеству проводки. Иными словами, он гораздо менее универсален, чем его предшественники.

Стандартизация Gigabit Ethernet.

Институт IEEE, вероятнее всего, примет решение о переносе даты выпуска стандарта 802.3z Gigabit Ethernet Task Force. Его ратификация вначале была намечена на март, но нерешенные вопросы физического уровня, похоже, заставят перенести утверждение стандарта на июнь текущего года. “Это решение заставит наиболее консервативную часть потребителей отложить приобретение подобных продуктов, которые в любом случае еще не готовы выйти на этот рынок”, - считает Джон Армстронг, аналитик компании Dataquest. По его словам, набор характеристик Gigabit Ethernet будет утвержден во втором квартале 1997 года, поэтому серьезных вопросов с интероперабельностью не возникнет.

Основные трудности при использовании Gigabit Ethernet связаны с возникновением дифференциальной задержки сигналов (differential mode delay, DMD) в многомодовых волоконных кабелях. Эта задержка появляется при использовании некоторых комбинаций многомодового волокна и лазерных диодов, применяемых для ускорения передачи данных по волоконному кабелю. В результате возникают нарушения синхронизации (своего рода дрожание) сигнала, ограничивающие максимальное расстояние, на которое могут передаваться данные по Gigabit Ethernet.

Компания Cisco Systems намерена решить вопросы физического уровня путем замены в своих недавно анонсированных аппаратных системах преобразователей гигабитного интерфейса. Таким образом, для настройки аппаратуры на спецификации окончательного стандарта не потребуется вносить никаких внутренних изменений. “В худшем случае изменения коснутся только реализации физического уровня, - заявляет Джеф Моссман, системный инженер Cisco. - Для этого будет достаточно замены конвертера гигабитного интерфейса”.

Патрик Гуай, старший менеджер 3Com, заявил, что его компания гарантирует соответствие своих продуктов окончательному стандарту Gigabit Ethernet. Потребители, купившие системы Gigabit Ethernet компании 3Com до ратификации стандарта, при необходимости смогут модернизировать их совершенно бесплатно. “Это очень похоже на гарантию, которую мы давали нашим потребителям в случае перехода на 56-килобитную технологию модемов, - сказал Гуай. - Мы абсолютно уверены в направлении развития стандарта, так что легко можем дать такую гарантию”. Единственный серьезный вопрос, пока остающийся нерешенным для Gigabit Ethernet, по словам Гуая, - это возможность использования неэкранированной витой пары. Но поскольку, по его мнению, эта технология еще не скоро дойдет до уровня настольных систем, пользователи не пострадают от данного недостатка новой технологии. Мелинда Лебарон, аналитик компании Gartner Group, советует потребителям, которые уже работают с Gigabit Ethernet, обратиться к производителям систем, которыми они пользуются, по поводу возможности внесения изменений на физическом уровне. Тем, кто только предполагает использовать Gigabit Ethernet, но пока не заключил договор с каким-либо определенным производителем, следует выяснить подобные планы у всех потенциальных поставщиков.