28. Технология Fast Ethernet.

 

Технология Fast Ethernet является эволюционным развитием классической технологии Ethernet В 1992 году группа производителей сетевого оборудования, включая таких лидеров технологии Ethernet как SynOptics, 3Com и ряд других, образовали некоммерческое объединение Fast Ethernet Alliance для разработки стандарта на новую технологию, которая обобщила бы достижения отдельных компаний в области Ethernet-преемственного высокоскоростного стандарта. Основными достоинствами технологии Fast Ethernet являются: - увеличение пропускной способности сегментов сети до 100 Мб/c; - сохранение метода случайного доступа Ethernet; - сохранение звездообразной топологии сетей и поддержка традиционных сред передачи данных - витой пары и оптоволоконного кабеля. В мае 1995 года комитет IEEE принял спецификацию Fast Ethernet в качестве стандарта 802.3u, который не является самостоятельным стандартом, а представляет собой дополнение к существующему стандарту 802.3 в виде глав с 21 по 30. Отличия Fast Ethernet от Ethernet сосредоточены на физическом уровне (рис. 1). Более сложная структура физического уровня технологии Fast Ethernet вызвана тем, что в ней используется три варианта кабельных систем - оптоволокно, 2-х парная витая пара категории 5 и 4-х парная витая пара категории 3, причем по сравнению с вариантами физической реализации Ethernet (а их насчитывается шесть), здесь отличия каждого варианта от других глубже - меняется и количество проводников, и методы кодирования. Рис. 1. Отличия стека протоколов 100Base-T от стека протоколов 10Base-T Организация стека протоколов. Признаком свободного состояния среды является передача по ней символа Idle соответствующего избыточного кода (а не отсутствие сигналов, как в стандартах Ethernet 10 Мбит/с). Физический уровень включает три элемента: o уровень согласования (reconciliation sublayer); o независимый от среды интерфейс (Media Independent Interface, Mil); o устройство физического уровня (Physical layer device, PHY). Уровень согласования нужен для того, чтобы уровень MAC, рассчитанный на интерфейс AUI, смог работать с физическим уровнем через интерфейс МП. Устройство физического уровня (PHY) состоит, в свою очередь, из нескольких подуровней (см. рис. 3.20): · подуровня логического кодирование данных, преобразующего поступающие от уровня MAC байты в символы кода 4В/5В или 8В/6Т (оба кода используются в технологии Fast Ethernet); · подуровней физического присоединения и подуровня зависимости от физической среды (PMD), которые обеспечивают формирование сигналов в соответствии с методом физического кодирования, например NRZI или MLT-3; · подуровня автопереговоров, который позволяет двум взаимодействующим портам автоматически выбрать наиболее эффективный режим работы, например, полудуплексный или полнодуплексный (этот подуровень является факультативным). Интерфейс МП поддерживает независимый от физической среды способ обмена данными между подуровнем MAC и подуровнем PHY. Этот интерфейс аналогичен по назначению интерфейсу AUI классического Ethernet за исключением того, что интерфейс AUI располагался между подуровнем физического кодирования сигнала (для любых вариантов кабеля использовался одинаковый метод физического кодирования - манчестерский код) и подуровнем физического присоединения к среде, а интерфейс МП располагается между подуровнем MAC и подуровнями кодирования сигнала, которых в стандарте Fast Ethernet три - FX, ТХ и Т4. Протокол MAC подуровня. Подуровни LLC и MAC в стандарте Fast Ethernet не претерпели изменений. IEEE 802.3 протокол МАС подуровня
Структура кадра в IEEE 802.3 показана на рис.4.21. Кадр начинается с преамбулы - 7 байт вида 10101010, обеспечивает 5,6 ms для синхронизации приемника и передатчика. Затем следует стартовый байт 10101011 обозначающий собственно начало передачи. Стандарт допускает 2 и 6 байтные адреса. Хотя для 10Base используются только 6 байтные. 0 в старшем бите адреса получателя указывает на обычный адрес. Если там 1 - это признак группового адреса. Групповой адрес позволяет обращаться срезу к нескольким станциям одновременно. Если адрес получателя состоит из одних 1 - это вещательный адрес, т.е. этот кадр должны получить все станции в сети. Другой интересной возможностью адресации является различие локального адреса и глобального. На то какой адрес используется указывает 46 бит. Если он 1 - это локальный адрес, который устанавливается сетевым администратором и вне данной сети смысла не имеет. Глобальный адрес устанавливает IEEE и гарантирует, что нигде в мире нет такого второго. С помощью 46 битов можно получить 7х1013 глобальных адресов. Поле Длины указывает на длину поля данных. Она может быть от 0 до 1500 байт. То что поле данных может иметь длину 0 вызывает проблему для обнаружения коллизий. Поэтому IEEE 802.3 предписывает, что кадр не может быть короче 64 байт. Если длина поля данных не достаточна, то поле pad компенсирует нехватку длины. Последнее поле - контрольная сумма, которая формируется с помощью CRC кода. Мы рассматривали эти коды в главе 3. Форматы кадров. Форматы кадров технологии Fast Ethernet не отличаются от форматов кадров технологий 10-Мегабитного Ethernet'a. На рисунке 2 приведен формат MAC-кадра Ethernet, а также временные параметры его передачи по сети для скорости Все времена передачи кадров Fast Ethernet в 10 раз меньше соответствующих времен технологии 10-Мегабитного Ethernet'а: межбитовый интервал составляет 10 нс вместо 100 нс, а межкадровый интервал - 0.96 мкс вместо 9.6 мкс соответственно. Рис. 2. Формат MAC-кадра и времена его передачи Спецификации физического уровня 100Base-T4, 100Base-TX, 100Base-FX. Официальный стандарт 100Base-T (802.3u) установил три различных спецификации для физического уровня (в терминах семиуровневой модели OSI) для поддержки следующих типов кабельных систем: · 100Base-TX для двухпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP категории 5, или экранированной витой паре STP Type 1; · 100Base-T4 для четырехпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP категории 3, 4 или 5; · 100Base-FX для многомодового оптоволоконного кабеля. Спецификации физического уровня Fast Ethernet Для технологии Fast Ethernet разработаны различные варианты физического уровня, отличающиеся не только типом кабеля и электрическими параметрами импульсов, как это сделано в технологии 10 Мб/с Ethernet, но и способом кодирования сигналов, и количеством используемых в кабеле проводников. Поэтому физический уровень Fast Ethernet имеет более сложную структуру, чем классический Ethernet. Физический уровень 100Base-FX - многомодовое оптоволокно Физический уровень ответственен за прием данных в параллельной форме от MAC-подуровня, трансляцию их в один (TX или FX) или три последовательных потока бит с возможностью побитной синхронизации и передачу их через разъем на кабель. Аналогично, на приемном узле физический уровень должен принимать сигналы по кабелю, определять моменты синхронизации бит, извлекать биты из физических сигналов, преобразовывать их в параллельную форму и передавать подуровню MAC. Структура физического уровня 100Base-FX представлена на рисунке 3 Рис. 3. Физический уровень FX Эта спецификация определяет работу протокола Fast Ethernet по многомодовому оптоволокну в полудуплексном и полнодуплексном режимах на основе хорошо проверенной схемы кодирования и передачи оптических сигналов, использующейся уже на протяжении ряда лет в стандарте FDDI. Как и в стандарте FDDI, каждый узел соединяется с сетью двумя оптическими волокнами, идущими от приемника (Rx) и от передатчика (Tx). Между спецификациями FX и TX есть много общего, поэтому общие для двух спецификаций свойства будут даваться под обобщенным названием FX/TX. Физический уровень 100Base-TХ - двухпарная витая пара Структура физического уровня спецификации PHY TX представлена на рисунке 5. Основное отличие от спецификации FX наличие функции автопереговоров (Auto-negotiation) для выбора режима работы порта. Рис. 5. Структура физического уровня TX Физический уровень 100Base-T4 - четырехпарная витая пара Спецификация T4 была разработана для того, чтобы можно было использовать для высокоскоростного Ethernet'а имеющуюся проводку на витой паре категории 3. Эта спецификация использует все 4 пары кабеля для того, чтобы можно было повысить общую пропускную способность за счет одновременной передачи потоков бит по нескольким витым парам. Структура физического уровня T4 изображена на рисунке 6. Вместо кодирования 4B/5В в этом методе используется кодирование 8B/6T. Каждые 8 бит информации MAC-уровня кодируются 6-ю троичными цифрами (ternary symbols), то есть цифрами, имеющими три состояния. Каждая троичная цифра имеет длительность 40 наносекунд. Группа из 6-ти троичных цифр затем передается на одну из трех передающих витых пар, независимо и последовательно. Четвертая пара всегда используется для прослушивания несущей частоты в целях обнаружения коллизии. Скорость передачи данных по каждой из трех передающих пар равна 33.3 Мб/c, поэтому общая скорость протокола 100Base-T4 составляет 100 Мб/c. В то же время из-за принятого способа кодирования скорость изменения сигнала на каждой паре равна всего 25 Мбод, что и позволяет использовать витую пару категории 3. Рис. 6. Физический уровень T4 Автопереговоры по принятию режима работы порта. Спецификации TX и T4 поддерживают функцию Auto-negotiation, с помощью которой два взаимодействующих устройства могут автоматически выбрать наиболее эффективный режим работы. Описанная ниже схема Auto-negotiation является теперь стандартом технологии 100Base-T. До этого производители применяли различные собственные схемы автоматического определения скорости работы взаимодействующих портов, которые не были совместимы. Принятую в качестве стандарта схему Auto-negotiation предложила первоначально компания National Semiconductor под названием NWay. Всего в настоящее время определено 5 различных режимов работы, которые могут поддерживать устройства TX или T4 на витых парах: · 10Base-T - 2 пары категории 3; · 10Base-T full-duplex - 2 пары категории 3; · 100Base-TX - 2 пары категории 5; · 100Base-TX full-duplex - 2 пары категории 5; · 100Base-T4 - 4 пары категории 3. Режим 10Base-T имеет самый низкий приоритет при переговорном процессе, а режим 100Base-T4 - самый высокий. Переговорный процесс происходит при включении питания устройства, а также может быть инициирован и в любой момент модулем управления. Для организации переговорного процесса используются служебные сигналы проверки целостности линии технологии 10Base-T - link test pulses, если узел-партнер поддерживает только стандарт 10Base-T. Узлы, поддерживающие функцию Auto-negotiation, также используют существующую технологию сигналов проверки целостности линии, при этом они посылают пачки таких импульсов, инкапсулирующие информацию переговорного процесса Auto-negotiation. Такие пачки носят название Fast Link Pulse burst (FLP). Устройство, начавшее процесс auto-negotiation, посылает своему партнеру пачку импульсов FLP, в котором содержится 8-битное слово, кодирующее предлагаемый режим взаимодействия, начиная с самого приоритетного, поддерживаемого данным узлом. Если узел-партнер поддерживает функцию Auto-negotuiation и также может поддерживать предложенный режим, то он отвечает пачкой импульсов FLP, в которой подтверждает данный режим и на этом переговоры заканчиваются. Если же узел-партнер может поддерживать менее приоритетный режим, то он указывает его в ответе и этот режим выбирается в качестве рабочего. Таким образом, всегда выбирается наиболее приоритетный общий режим узлов. Узел, который поддерживает только технологию 10Base-T, каждые 16 миллисекунд посылает импульсы для проверки целостности линии, связывающей его с соседним узлом. Такой узел не понимает запрос FLP, который делает ему узел с функцией Auto-negotiation, и продолжает посылать свои импульсы. Узел, получивший в ответ на запрос FLP только импульсы проверки целостности линии, понимает, что его партнер может работать только по стандарту 10Base-T и устанавливает этот режим работы и для себя. Gigabit Ethernet. Хотя переход на новые высокоскоростные технологии, такие как Fast Ethernet и 100VG-AnyLAN, начался не так давно, уже находятся в разработке новый проект - технология Gigabit Ethernet, предложенная Gigabit Ethernet Alliance. Интерес к технологиям для локальных сетей с гигабитными скоростями повысился в связи с двумя обстоятельствами - во-первых, успехом сравнительно недорогих (по сравнению с FDDI) технологий Fast Ethernet, во-вторых, со слишком большими трудностями, испытываемыми технологией АТМ на пути к конечному пользователю. Технология АТМ обладает многими привлекательными свойствами - масштабируемой скоростью передачи данных, доходящей до 10 Гб/с, отличной поддержкой мультимедийного трафика и возможностью работы как в локальных, так и в глобальных сетях. Однако, стоимость технологии АТМ и ее сложность не всегда оправданы. Вот для таких применений, в которых нужна в первую очередь высокая скорость обмена, а без других возможностей, предлагаемых АТМ, можно прожить, и предназначены активно разрабатываемые сегодня гигабитные варианты Ethernet. В Gigabit Ethernet Alliance входят наряду с другими компании Bay Networks, Cisco Systems и 3Com. Разрабатываемое предложение оставляют метод доступа в неизменном виде: CSMA/CD для технологии Gigabit Ethernet. В связи с ограничениями, накладываемыми методом CSMA/CD на длину кабеля, версия Gigabit Ethernet для разделяемой среды будет допускать длину связей до 25 метров на витой паре. В связи с такими серьезными ограничениями более популярны будут, очевидно, полнодуплексные версии гигабитного Ethernet'a, работающие только с коммутаторами и допускающие расстояние между узлом и коммутатором в 500 метров для многомодового кабеля и до 2 км для одномодового кабеля. Первый проект стандарта Gigabit Ethernet был принят в 1997 году.