Гигабитная Ethernet

Локальные высокоскоростные сети.

Высокоскоростные сети Ethernet— это набор сетей, базирующихся на концентраторах и методах доступа протокола CSMA/CD. Хотя работа оригинального

протокола CSMA/CD была ограничена физическими факторами, архитектуры с центральными концентраторами не имеют таких ограничений, поскольку шина в таких архитектурах скорее логический, а не физический элемент, и поэтому нет никаких проблем, связанных с распространением сигналов. Высокоскоростной доступ реализуется через комбинацию усовершенствованной среды передачи и методов кодирования плюс увеличение числа проводов.

Существуют высокоскоростные Ethernet-сети трех типов:

- изохронная Ethernet (isoENET);

- быстрая Ethernet;

- гигабитная Ethernet.

Изохронная Ethernet

Изохронная (синхронная) Ethernet — это, по существу, расширение стандарта 10Base-T. Пропускная способность синхронного канала увеличена почти вдвое (точнее, на 6,144 Мбит/с). Это расширение предназначено для обслуживания мультимедийного трафика, чувствительного ко времени (multi-media time sensitive traffic). Характеристики такой сети определены в стандарте IEEE 802.9 IsoENET. Сеть IsoENET может поддерживать 96 синхронных каналов по 64 Кбит/с вместе с поддержкой голосовой связи по телефонной сети.

Синхронный сигнал 20 Мбит/с передается по витой паре, но манчестерское кодирование заменяется кодированием по схеме 4В5В, которое используется в FDDI-протоколе передачи данных по оптическим линиям. Эта схема кодирования имеет 80%-ю эффективность (для сравнения — манчестерское кодирование имеет 50%-ю эффективность). Система является гибкой и обновляемой. Для нее требуется специальный

isoENET-концентратор, но пользователи, не требующие изохронной поддержки, могут использовать адаптерные платы стандарта 10Base-T. В покупке платы адаптера isoENET нуждаются только пользователи, требующие поддержки изохронных передач.

Быстрая Ethernet

Быстрая Ethernet — это термин, который отсылает нас к трем спецификациям физического уровня (предназначенным для работы на скоростях до 100 Мбит/с), формирующим часть дополнения к стандарту IEEE 802.3ц (рис 1). Эти спецификации отличаются используемыми методами кодирования и средой передачи. Они совместимы со всеми другими стандартами IEEE 802.

Рис. 1. Стек протоколов быстрого Ethernet (РМА — Physical Medium Attachment,

подсоединение к физической среде, PMD — Physical Medium Dependent,

зависимый от физического носителя)

Изменения в среде и методике кодирования возможны из-за использования физической звезды вместо шины. Манчестерское кодирование работает на тактовой частоте, которая вдвое превышает требуемую скорость передачи данных. При кодировании по схеме 4В5Т выбираются 4 двоичные цифры и заменяются на 5 двоичных цифр. Дополнительный бит используется для защиты.

По существу — это блочный код с эффективностью 80%. Он переносит в 1,6 раза больше данных, чем манчестерский код, использующий ту же тактовую частоту. При кодировании по схеме 8В6Т берутся 8 двоичных цифр и отображаются 6 троичными. Такая методика кодирования способна передавать в 2,6 раза больше данных, чем манчестерская схема, использующая ту же тактовую частоту. Далее приводится краткая характеристика трех стандартных спецификаций физической среды для таких сетей:

- 100Base-TX— использует две пары высококачественного сбалансированного UTP10- (или STP1 -) кабеля 5-й категории и кодирование по схеме 4В5В12 с высокой тактовой частотой. Это та же конфигурация пар, что и у спецификаций 10 Base-T Ethernet (10 Мбит/с), те же разъемы (RJ45) и та же максимальная длина сегмента (100 м), но спецификация 100Base-TX требует кабеля более высокого качества. Если установлена сеть Ethernet типа 10Base-T с UTP-кабелем 5-й категории, то в дальнейшем возможно ее

обновление до типа 100Base-TX;

- 100Base-T4— работает с UTP-кабелем более низкого качества (3-й категории) с тактовой частотой 25 Мбит/с. Хотя длина сегмента (100 м) та же, что и у сетей типа 10Base-T и 100BaseTX, данная сеть использует четыре пары проводов, а не две. Три пары выделяются для данных (с мультиплексированием передаваемых по ним CSMA/CD-кадров), а последняя пара используется для управления. Для кодирования применяется схема 8В6Т;

- 100BASE-FX— использует два многожильных многомодовых оптоволоконных кабеля, один — для передачи, другой — для приема. Используется кодирование по схеме 4В5В и такое преимущество сетей типа 100Base-T, как возможность построения больших сетей.

Гигабитная Ethernet

Гигабитная Ethernet — это дальнейшее расширение стандарта IEEE 802.3. По аналогии с быстрой Ethernet основные принципы работы (структура кадра, доступ к среде по протоколу CSMA/CD) были сохранены, что позволяет использовать в этой схеме более медленные Ethernet-стандарты, в то время как скорость работы была увеличена. На рис. 5.30 показан типичный пример гигабитной Ethernet, где она используется как магистраль между концентраторами типа 100Base-T. В таком варианте гигабитная Ethernet заменяет старые технологии, подобные FDDI. Несмотря на то, что в этом случае узлы должны быть заменены, можно использовать те же оптоволоконные связи с существенным увеличением скоростей. И хотя нет никакой технической причины напрямую использовать гигабитную Ethernet для терминалов, все еще существует несколько типов настольных компьютеров, требующих столь высоких скоростей передачи данных.

Рис. 2. Гибридная сеть о гигабитной Ethernet.

Далее приводится краткое описание спецификаций четырех типов физических

сред, используемых в гигабитной Ethernet:

- 1000Base-CX— средой передачи является одножильный 150-омный медный провод с максимальным расстоянием между устройством и концентратором 25 м;

- 1000Base-TX— использует 4 пары UTP-кабеля 5-й категории (каждая передает со скоростью 250 Мбит/с) с максимальным расстоянием между устройством и концентратором 100м;

- 1000Base-SX— использует коротковолновую передачу (длина волны 850 нм) по одно- или многомодовому оптоволокну. Многомодовые оптоволоконные линии могут быть длиной до 275 м, с удвоением до 550 м для одномодового оптоволокна;

- 1000Base-LX— использует одно- или многомодовоое оптоволокно и передачу на длине волны 1300 нм. В этом случае многомодовые оптоволоконные линии могут быть длиной до 550 м, а одномодовые — до 5 км.

Метод доступа, связанный с гигабитной Ethernet, должен быть функционально эквивалентен методам доступа всех других версий стандарта 802.3. Однако,схемы CSMA/CD требуют, чтобы передачи имели минимальную длину, равную удвоенной задержке распространения по среде. Десятикратное увеличение эффективной битовой скорости по сравнению с высокоскоростным Ethernet (CSMA/CD)-протоколом (или стократное — по сравнению со стандартным CSMA/CD-протоколом) может существенно

сократить диапазон передач или эффективность звена.

Для систем с ограничениями на задержку распространения/передачи разработан

специальный способ передачи кадров, называемый расширением несущей, который позволяет терминалам обнаружить любое возможное столкновение. После передачи стандартного CSMA/CD-кадра терминал в течение времени, равного, по крайней мере, удвоенному времени распространения, продолжает передавать некоторые дополнительные данные. Эти данные добавляются к кадрам, длина которых меньше 512 байт (рис.3). Характер дополнительных данных расширения не столь важен, но они должны добавляться в конец кадра, сразу после поля с проверочной последовательностью (FCS). Для идентификации и удаления этих данных средства физического кодирования используют помощь концентраторов/переключателей. Заметим, что CSMA/CD-кадр остается без изменений, и его можно передавать в подходящий выводной порт без каких-либо изменений или дополнительной обработки.

Рис. 3. Столкновения в гигабитной сети Ethernet.

Недостатком этой методики является добавление к коротким пакетам слишком

большого числа служебных байтов. Кроме того, если нужно передавать меньше байтов, чем в минимально допустимом по размеру кадре, то размер кадра должен оставаться таким же, как в быстрой Ethernet (с битрейтом 100 Мбит/с). Этого следует ожидать, т. к. синхронизация у этих вариантов Ethernet устроена одинаково. Если терминалу нужно передать несколько коротких кадров, то для повышения эффективности можно использовать методику пакетирования кадров (frame bursting). Если при передаче минимального по размеру кадра (512 байт) не произошло никаких столкновений, то

опасность миновала, и терминал эффективно управляет средой. Это значит, что при передаче первого кадра терминал может использовать расширение несущей, и, если никакого столкновения не произошло, то ему разрешается продолжать передачу других коротких кадров, но уже без расширения . Чтобы предотвратить монополизацию среды терминалами, время, в течение которого отдельный терминал может передавать пакеты, ограничивается. Этот предел называют порогом пакета (burstlimit) и устанавливают равным 8192 байтам.

1.4. Беспроводные локальные сети. Стандарт IEEE 802.11 Wireless LAN

Стандарт IEEE 802.11 определяет несколько связанных стандартов беспроводных

локальных сетей (Wireless LAN, WLAN), которые работают на различных скоростях. Подобно другим сериям стандартов IEEE 802, WLAN-стандарты 802.11 совместно используют функции уровня звена, что облегчает взаимодействие различных стандартов. Как и другие серийные стандарты, эти стандарты различаются средой передачи, конфигурацией и методом доступа.

Стандарты IEEE 802.11 WLAN используют схему с состязаниями, подобную

CSMA/CD. Однако, схемы с контролем несущей не очень хорошо работают в радиосреде из-за проблемы скрытых терминалов. Однако квантованную схему было бы трудно организовать в распределенной WLAN-среде, т. к. она потребовала бы использования

центральной базовой станции, а в локальной среде проблема скрытых терминалов не слишком ощутима, поэтому IEEE 802.11 пытается использовать схему множественного доступа с контролем несущей (Carrier Sense Multiple Access, CSMA).

Обнаружение столкновений в радиосреде — весьма непростое занятие, потому что оно требует, чтобы терминал был способен передавать и принимать данные в одно и то же время, а также, чтобы он был способен отличать поступающий сигнал от того, который он передает (на той же частоте). Это сложная задача, которая, если была бы решена, сделала бы терминалы довольно дорогими устройствами. В любом случае, если бы столкновение произошло с кадром скрытого терминала, то оно никогда не было бы обнаружено передатчиком. Это означает, что обнаружение столкновений в схеме CSMA/CD заменяется на "предотвращение столкновений", т. е. CSMA/CD заменяется на схему CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance — множественный доступ с контролем несущей и предотвращением столкновений).

Прежде чем начинать свою передачу, терминалы прослушивают линию, чтобы узнать, выполняется ли в ней чья-то передача. Хотя это не очень надежно, но уменьшает риск столкновений. Если они не слышат никакой передачи в течение интервала, известного как распределенное межкадровое пространство (Distributed Inter Frame Space, DIPS), то они передают свой пакет. Подождав некоторое время после приема кадра (которое называют коротким межкадровым пространством (Short Inter Frame Space, SIFS), принимающий узел посылает сообщение подтверждения. Эти подтверждения требуются из-за того, что сам терминал не может обнаружить столкновения, поэтому обратно на передатчик должен быть послан положительный признак того, что данные были получены правильно. Ожидая DIPS-интервал, остальные терминалы не будут сталкиваться по ошибке в течение SIFS-интервала и разрушать подтверждение еще одного правильного сообщения (направляемого передатчику другим терминалом).

Как и в протоколе IEEE 802.3, когда терминал захочет что-то передать, то, обнаружив передачу в канале, он будет ждать. Однако, в отличие от стандартного варианта IEEE 802.3, где терминал делает свою первую попытку передачи немедленно, протокол IEEE 802.11 требует, чтобы терминалы с целью уменьшения вероятности столкновений ждали в течение случайного интервала времени даже при первой попытке.

Кроме того, протокол позволяет терминалам объявлять об их намерении передавать данные. Передатчик посылает приемнику специальный сигнал, требующий

разрешения на посылку данных, приемник подтверждает его, после чего передатчик посылает свои данные. При посылке сообщений с обоих концов линии возрастает вероятность того, что любой терминал, достаточно закрытый от взаимодействия с передачей, все же будет слышать подтверждения или передатчика, или приемника, что смягчает проблему скрытого терминала.

Конфигурации

WLAN-сети имеют эффективную шинную структуру с беспроводным ("воздушным") интерфейсом, формирующим общую среду. Обычная компоновка состоит из узлов, объединенных в локальную сеть, реализующую доступ к внешнему миру или фиксированным внешним устройствам, таким как принтеры (рис. 4, а). Поскольку WLAN не имеет центрального контроллера, возможна также независимая группировка узлов, называемая специальной (ad hoc-) сетью, которая формируется из любых терминалов в пределах дальности связи (рис. 4, б).

Рис. 4. Конфигурации беспроволочных локальных сетей