2. Изучение нового учебного материала (способов действий). Цели для преподавателя: - обеспечить понимание планируемого результата деятельности, основных путей его достижения; -способствовать развитию познавательных способностей обучающихся, посредством организации самостоятельной работы. Цели для обучающихся: - рассмотреть высокоскоростные протоколы для локальных вычислительных сетей - рассмотреть протоколы FDDI - рассмотреть протоколы , GigabitEthernet - рассмотреть протоколы FibreChannel Цели этапа занятия достигаются посредством: - обеспечения понимания планируемого результата деятельности, основных путей его достижения; - определения критериев, позволяющих обучающимся самостоятельно определять степень достижения запланированного результата; - организации активной самостоятельной деятельности обучающихся по написанию лекции во время занятия.
| 2. Теоретическая часть. Рассмотрим стандарты для построения высокоскоростных сетей, появившиеся в 90-е годы. Эти стандарты предполагают использование оптоволоконных линий связи, скорость не ниже 100 Мбит/сек. и действуют на большие расстояния, чем рассмотренные до сих пор стандарты IEEE 802. Основы технологии FDDI. Технология FDDI является высокопроизводительным развитием технологии Token Ring, позволяющей работать на скоростях не ниже 100 Мбит/сек., расстоянии до 200 км и до 1000 рабочих станций. Разработчики технологии FDDI ставили перед собой в качестве наиболее приоритетных следующие цели: Повысить скорость передачи данных до 100 Мбит/сек. Повысить отказоустойчивость сети за счет стандартных процедур восстановления после отказов различного рода - повреждения кабеля, некорректной работы узла, концентратора, возникновения высокого уровня помех на линии и т.п. Максимально эффективно использовать потенциальную пропускную способность сети как для асинхронного, так и для синхронного трафиков.
Сеть FDDI строится на основе двух оптоволоконных колец. По одному трафик направлен по часовой стрелке, по другому – против. В случае выхода из строя одного из колец его трафик может быть запущен через второе кольцо. Если оба кольца окажутся поврежденными в одном и том же месте, то они могут быть объединены в одно кольцо. Такая реконфигурация сети происходит силами концентраторов и/или сетевых адаптеров FDDI.
Использование двух колец - это основной способ повышения отказоустойчивости в сети FDDI, и узлы, которые хотят им воспользоваться, должны быть подключены к обоим кольцам. В нормальном режиме работы сети данные проходят через все узлы и все участки кабеля первичного (Primary) кольца, поэтому этот режим назван режимом Thru - «сквозным» или «транзитным». Вторичное кольцо (Secondary) в этом режиме не используется. При образовании общего кольца из двух колец передатчики станций по-прежнему остаются подключенными к приемникам соседних станций, что позволяет правильно передавать и принимать информацию соседними станциями.
В стандартах FDDI отводится много внимания различным процедурам, которые позволяют определить наличие отказа в сети, а затем произвести необходимую реконфигурацию. Сеть FDDI может полностью восстанавливать свою работоспособность в случае единичных отказов ее элементов. При множественных отказах сеть распадается на несколько не связанных сетей.
Рисунок 4-40. Кольцо FDDI в качестве магистрали для ЛВС и абонентских машин
Кольца в сетях FDDI рассматриваются как общая, разделяемая среда передачи данных, поэтому для нее определен специальный метод доступа. Этот метод очень близок к методу доступа сетей Token Ring и также называется методом кольца с маркером. Станция может начать передачу своих собственных кадров данных только в том случае, если она получила от предыдущей станции специальный кадр - маркер доступа. После этого она может передавать свои кадры в течение времени, называемого временем удержания маркера, - Token Holding Time (THT). После истечения времени THT станция обязана завершить передачу своего очередного кадра и передать маркер доступа следующей станции. Если же в момент получения маркера у станции нет кадров для передачи по сети, то она немедленно передает маркер следующей станции. Как и в ранее рассмотренных способах доступа с маркером, в сети FDDI у каждой станции есть предшествующий сосед (upstream neighbor) и последующий сосед (downstream neighbor), определяемые ее физическими связями и направлением передачи информации.
Каждая станция в сети постоянно принимает передаваемые ей предшествующим соседом кадры и анализирует их адрес назначения. Если адрес назначения не совпадает с ее собственным, то она транслирует кадр своему последующему соседу.
В передаваемом в сеть кадре станция назначения отмечает три признака: распознавания адреса, копирования кадра и отсутствия или наличия в нем ошибок. Станция, являющаяся источником кадра для сети, проверяет признаки кадра, дошел ли он до станции назначения, и не был ли при этом поврежден. Процесс восстановления информационных кадров не входит в обязанности протокола FDDI, этим должны заниматься протоколы более высоких уровней.
На рисунке 4-42 приведена структура протоколов технологии FDDI в сравнении с семиуровневой моделью OSI. FDDI определяет протокол физического уровня и протокол подуровня доступа к среде (MAC) канального уровня. Как и многие другие технологии локальных сетей, технология FDDI использует протокол 802.2 подуровня управления каналом данных (LLC), определенный в стандартах IEEE 802.2 и ISO 8802.2. В FDDI используется первый тип процедур LLC, при котором узлы работают в дейтаграммном режиме - без установления соединений и без восстановления потерянных или поврежденных кадров.
Рисунок 4-42. Структура протоколов технологии FDDI
Физический уровень разделен на два подуровня: независимый от среды подуровень PHY (Physical) и зависящий от среды подуровень PMD (Physical Media Dependent). Работу всех уровней контролирует протокол управления станцией SMT (Station Management). Здесь видна аналогия с организацией физического уровня в СПД АТМ.
Уровень PMD обеспечивает необходимые средства для передачи данных от одной станции к другой по оптоволокну. В его спецификации определяются:
Уровень PHY выполняет кодирование и декодирование данных, циркулирующих между MAC-уровнем и уровнем PMD, а также обеспечивает тактирование информационных сигналов. В его спецификации определяются:
Уровень MAC ответственен за управление доступом к сети, а также за прием и обработку кадров данных. В нем определены следующие параметры:
Уровень SMT выполняет все функции по управлению и мониторингу всех остальных уровней стека протоколов FDDI. В управлении кольцом принимает участие каждый узел сети FDDI. Поэтому все узлы обмениваются специальными кадрами SMT для управления сетью. В спецификации SMT определено следующее:  Алгоритмы обнаружения ошибок и восстановления после сбоев
Правила мониторинга работы кольца и станций Управление кольцом Процедуры инициализации кольца
Отказоустойчивость сетей FDDI обеспечивается за счет того, что уровень SMT управляет другими уровнями: с помощью уровня PHY устраняются отказы сети по физическим причинам, например, из-за обрыва кабеля, а с помощью уровня MAC - логические отказы сети, например, потеря нужного внутреннего пути передачи маркера и кадров данных между портами концентратора.
Все станции в сети FDDI делятся на несколько типов по следующим признакам: конечные станции или концентраторы по способу присоединения к первичному и вторичному кольцам по количеству MAC-узлов и, соответственно, MAC-адресов у одной станции
Как и в стандарте IEEE 802.5, для того чтобы иметь возможность передавать собственные данные в кольцо (а не просто ретранслировать данные соседних станций), станция должна иметь в своем составе хотя бы один MAC-узел, который имеет свой уникальный MAC-адрес. Станции могут не иметь ни одного MAC-узла, и, значит, участвовать только в ретрансляции чужих кадров. Но обычно все станции сети FDDI, даже концентраторы, имеют хотя бы один MAC. Концентраторы используют MAC-узел для захвата и генерации служебных кадров, например, кадров инициализации кольца, кадров поиска неисправности в кольце и т.п.
Стандарт FDDI не вводит собственное определение подуровня LLC, а использует его сервисы, описанные в документе IEEE 802.2 LLC. Подуровень МАС выполняет в технологии FDDI следующие функции: Поддерживает сервисы для подуровня LLC. Формирует кадр определенного формата. Управляет процедурой передачи маркера. Управляет доступом станции к среде. Адресует станции в сети. Копирует кадры, предназначенные для данной станции в буфер и уведомляет подуровень LLC и блок управления станцией SMT о прибытии кадра. Генерирует контрольную сумму кадра с помощью CRC-кода и проверяет ее у всех кадров, циркулирующих по кольцу. Удаляет из кольца все кадры, которые сгенерировала данная станция. Управляет таймерами, которые контролируют логическую работу кольца - таймером удержания маркера, таймером оборота маркера и т.д. Ведет ряд счетчиков событий, что помогает обнаружить и локализовать неисправности. Определяет механизмы, используемые кольцом для реакции на ошибочные ситуации - повреждение кадра, потерю кадра, потерю маркера и т.д.
 В каждом блоке МАС параллельно работают два процесса: процесс передачи символов - MAC Transmit - и процесс приема символов - MAC Receive. За счет этого МАС может одновременно передавать символы одного кадра и принимать символы другого кадра.
По сети FDDI информация передается в форме двух блоков данных: кадра и маркера. Формат кадра FDDI представлен на рисунке 4-44.
Рисунок 4-44. Формат кадра FDDI
Рассмотрим назначение полей кадра:
Преамбула (PA). Любой кадр должен предваряться преамбулой, состоящей как минимум из 16 символов Idle (I). Эта последовательность предназначена для синхронизации приемника и передатчика кадра. Начальный ограничитель (Starting Delimiter, SD). Состоит из пары символов JK, которые позволяют однозначно определить границы для остальных символов кадра. Поле управления (Frame Control, FC). Идентифицирует тип кадра и детали работы с ним. Имеет 8-битовый формат и передается с помощью двух символов. Состоит из подполей, обозначаемых как CLFFZZZZ, которые имеют следующее назначение: С говорит о том, какой тип трафика переносит кадр - синхронный (значение 1) или асинхронный (значение 0). L определяет длину адреса кадра, который может состоять из 2-х байт или из 6-ти байт. FF - тип кадра, может иметь значение 01 для обозначения кадра LLC (пользовательские данные) или 00 для обозначения служебного кадра MAC-уровня. Служебными кадрами МАС-уровня являются кадры трех типов - кадры процедуры инициализации кольца Claim Frame, кадры процедуры сигнализации о логической неисправности Beacon Frame и кадры процедуры управления кольцом SMT Frame. ZZZZ детализирует тип кадра.
Адресназначения (Destination Address, DA). Идентифицирует станцию (уникальный адрес) или группу станций (групповой адрес), которым предназначен кадр. Может состоять из двух или шести байт. Адресисточника (Source Address, SA). Идентифицирует станцию, сгенерировавшую данный кадр. Поле должно быть той же длины, что и поле адреса назначения. Информация (INFO). Содержит информацию, относящуюся к операции, указанной в поле управления. Поле может иметь длину от 0 до 4478 байт (от 0 до 8956 символов). Стандарт FDDI допускает размещение в этом поле маршрутной информации алгоритма Source Routing, определенной в стандарте 802.5. При этом в два старших бита поля адреса источника SA помещается комбинация 102 - групповой адрес, комбинация, не имеющая отношения к адресу источника, а обозначающая присутствие маршрутной информации в поле данных. Контрольная последовательность (Frame Check Sequence, FCS). Содержит 32-битную последовательность, вычисленную по стандартному методу CRC-32, принятому и для других протоколов IEEE 802. Контрольная последовательность охватывает поля FC, DA, SA, INFO и FCS. Конечный ограничитель (Ending Delimiter, ED). Содержит единственный символ Terminate (T), обозначающий границу кадра. За ним располагаются признаки статуса кадра. Статускадра (Frame Status, FS). Первые три признака в поле статуса являются индикаторами ошибки (Error, E), распознавания адреса (Address recognized, A) и копирования кадра (Frame Copied, C). Каждый из этих индикаторов кодируется одним символом, причем нулевое состояние индикатора обозначается символом Reset (R), а единичное - Set (S). Стандарт позволяет производителям оборудования добавлять свои индикаторы после трех обязательных.
С помощью операций МАС-уровня станции получают доступ к кольцу и передают свои кадры данных. Цикл передачи кадра от одной станции к другой состоит из нескольких этапов: захвата маркера станцией, которой необходимо передать кадр, передачей одного или нескольких кадров данных, освобождением маркера передающей станцией, ретрансляцией кадра промежуточными станциями, распознаванием и копированием кадра станцией-получателем и удалением кадра из сети станцией-отправителем. Рассмотрим эти операции.
Захват маркера. Если станция имеет право захватить маркер, то после ретрансляции на выходной порт символов PA и SD маркера она удаляет из кольца символ FC, по которому она распознала маркер, а также конечный ограничитель ED. Затем она передает вслед за уже переданным символом SD символы своего кадра. Таким образом, как и прежде, она формирует новый кадр из маркера, который она захватила.
Передача кадра. После удаления полей FC и ED маркера станция начинает передавать символы кадров, которые ей предоставил для передачи уровень LLC. Станция может передавать кадры до тех пор, пока не истечет время удержания маркера.
Для сетей FDDI предусмотрена передача кадров двух типов трафика - синхронного и асинхронного. Синхронный трафик предназначен для приложений, которые требуют предоставления им гарантированной пропускной способности для передачи голоса, видеоизображений, управления процессами и других случаев работы в реальном времени. Для такого трафика каждой станции предоставляется фиксированная часть пропускной способности кольца FDDI, поэтому станция имеет право передавать кадры синхронного трафика всегда, когда она получает маркер от предыдущей станции. Асинхронный трафик - это обычный трафик локальных сетей, не предъявляющий высоких требований к задержкам обслуживания. Станция может передавать асинхронные кадры только в том случае, если осталось неизрасходованным время удержания маркера. Каждая станция самостоятельно вычисляет текущее значение этого параметра по специальному алгоритму.
Станция прекращает передачу кадров в двух случаях: либо по истечении времени удержания маркера THT, либо при передаче всех имеющихся у нее кадров до истечения этого срока. После передачи последнего своего кадра станция формирует маркер и передает его следующей станции.
Обработка кадра станцией назначения. Станция назначения, распознав свой адрес в поле DA, начинает копировать символы кадра во внутренний буфер одновременно с повторением их на выходном порту. При этом станция назначения устанавливает признак распознавания адреса. Если же кадр скопирован во внутренний буфер, то устанавливается и признак копирования (невыполнение копирования может произойти, например, из-за переполнения внутреннего буфера). Устанавливается также и признак ошибки, если ее обнаружила проверка по контрольной последовательности.
Удаление кадра из кольца. Каждый МАС-узел ответственен за удаление из кольца кадров, которые он ранее в него поместил. Если МАС-узел при получении своего кадра занят передачей следующих кадров, то он удаляет все символы вернувшегося по кольцу кадра. Если же он уже освободил маркер, то он повторяет на выходе несколько полей этого кадра, прежде чем распознает свой адрес в поле SA. В этом случае в кольце возникает усеченный кадр, у которого после поля SA следуют символы Idle и отсутствует конечный ограничитель. Этот усеченный кадр будет удален из кольца какой-нибудь станцией, принявшей его в состоянии собственной передачи.
Процедура инициализации кольца, известная под названием Claim Token, выполняется для того, чтобы все станции кольца убедились в его потенциальной работоспособности. Кроме этого, в ходе этой процедуры они должны прийти к соглашению о значении параметра T_Opr - максимально допустимому времени оборота маркера по кольцу, на основании которого все станции вычисляют время удержания маркера THT. Процедура Claim Token выполняется в нескольких ситуациях: при включении новой станции в кольцо и при выходе станции из кольца при обнаружении какой-либо станцией факта утери маркера (маркер считается утерянным, если станция не наблюдает его в течение двух периодов времени максимального оборота маркера T_Opr) при обнаружении длительного отсутствия активности в кольце, когда станция в течение определенного времени не наблюдает проходящих через нее кадров данных по команде от блока управления станцией SMT
Для выполнения процедуры инициализации каждая станция сети должна знать о своих требованиях к максимальному времени оборота маркера по кольцу. Эти требования содержатся в параметре, называемом «требуемое время оборота маркера» - TTRT (Target Token Rotation Time). Параметр TTRT отражает степень потребности станции в пропускной способности кольца - чем меньше время TTRT, тем чаще станция желает получать маркер для передачи своих кадров. Процедура инициализации позволяет станциям узнавать о требованиях к времени оборота маркера других станций и выбрать минимальное время в качестве общего параметра T_Opr, на основании которого в дальнейшем будет распределяться пропускная способность кольца. Параметр TTRT должен находиться в пределах от 4 мсек. до 165 мсек. и может изменяться администратором сети.
Если какая-либо станция решает начать процесс инициализации кольца по своей инициативе, то она формирует кадр Claim Token со своим значением требуемого времени оборота маркера. Захвата маркера для этого не требуется. Любая другая станция, получив кадр Claim Token, начинает выполнять процедуру Claim Token.
Для выполнения процедуры инициализации каждая станция поддерживает таймер текущего времени оборота маркера TRT (Token Rotation Timer), который используется также и в дальнейшем при работе кольца в нормальном режиме. Таймер TRT запускается каждой станцией при обнаружении начала процедуры Claim Token. В качестве предельного значения таймера выбирается максимально допустимое время оборота маркера, то есть 165 мсек. Истечение таймера TRT до завершения процедуры означает ее неудачное окончание - кольцо не удалось инициализировать. В случае неудачи процесса Claim Token запускается процедуры, с помощью которых станции кольца пытаются выявить некорректно работающую часть кольца и отключить ее от сети.
Схематично работа процедуры Clime Token выглядит следующим образом. Каждая станция генерирует кадр Clime со своим значением T_Req, равным значению ее параметра TTRT. При этом она устанавливает значение T_Opr, равное значению TTRT. Станция, приняв кадр Claim от предыдущей станции, обязана сравнить значение T_Req, указанное в кадре со своим предложенным значением TTRT. Если другая станция просит установить время оборота маркера меньше, чем данная (то есть, T_Req Процесс Claim завершается для станции в том случае, если она получает кадр Claim со своим адресом назначения. Это означает, что данная станция является победителем состязательного процесса и ее значение TTRT оказалось минимальным. При равных значениях параметра TTRT преимущество отдается станции с большим значением МАС-адреса.
После того как станция обнаруживает, что она оказалась победителем процесса Claim Token, она должна сформировать маркер и отправить его по кольцу. Первый оборот маркера - служебный, так как за время этого оборота станции кольца узнают, что процесс Claim Token успешно завершился. При этом они устанавливают признак Ring_Operational в состояние True, означающее начало нормальной работы кольца. При следующем проходе маркера его можно будет использовать для захвата и передачи кадров данных.
Если же у какой-либо станции во время выполнения процедур инициализации таймер TRT истек, а маркер так и не появился на входе станции, то станция начинает процесс Beacon. После нормального завершения процесса инициализации у всех станций кольца устанавливается одинаковое значение переменной T_Opr.
Управление доступом к кольцу FDDI распределено между его станциями. Каждая станция, получив маркер, самостоятельно решает, может она его захватить или нет, а если да, то на какое время. Если у станции есть для передачи синхронные кадры, то она всегда может захватить маркер на фиксированное время, выделенное ей администратором. Если же у станции для передачи есть лишь асинхронные кадры, то условия захвата маркера определяются следующим образом.
Станция ведет уже упомянутый таймер текущего времени оборота маркера TRT, а также счетчик количества опозданий маркера Late_Ct. Напомним, что время истечения таймера TRT равно значению максимального времени оборота маркера T_Opr, выбранному станциями при инициализации кольца.
Счетчик Late_Ct всегда обнуляется, когда маркер проходит через станцию. Если же маркер опаздывает, то TRT-таймер достигает значения T_Opr раньше очередного прибытия маркера. При этом таймер обнуляется и начинает отсчет времени заново, а счетчик Late_Ct увеличивается на единицу, фиксируя факт опоздания маркера. При прибытии опоздавшего маркера (при этом Late_Ct = 1) TRT-таймер не сбрасывается, а продолжает считать, накапливая время опоздания маркера. Если же маркер прибыл раньше, чем истек интервал T_Opr у таймера TRT, то таймер сбрасывается в момент прибытия маркера.
Станция может захватывать маркер только в том случае, когда он прибывает вовремя - то есть если в момент его прибытия счетчик Late_Ct равен нулю.
Время удержания маркера управляется таймером удержания маркера THT (Token Holding Timer). Значение этого таймера полагается равным (T_Opr - TRT), где TRT - значение таймера TRT в момент прихода маркера. Если у станции есть в буфере кадры для передачи в момент прибытия маркера и маркер прибыл вовремя, то станция захватывает его и удерживает в течение этого периода. Для отслеживания разрешенного времени удержания маркера в момент захвата маркера значение TRT присваивается таймеру THT, а затем таймер TRT обнуляется и перезапускается. Таймер THT считает до границы T_Opr, после чего считается, что время удержания маркера исчерпано. Станция перестает передавать кадры данных и передает маркер следующей станции.
Описанный алгоритм позволяет адаптивно распределять пропускную способность кольца между станциями, а точнее - ту ее часть, которая осталась после распределения между синхронным трафиком станций.
В стандарте FDDI определено еще два механизма управления доступом к кольцу. Во-первых, в маркере можно задавать уровень приоритета маркера, а для каждого уровня приоритета задается свое время порога, до которого считает таймер удержания маркера THT. Во-вторых, определена особая форма маркера - сдерживающий маркер (restricted token), с помощью которого две станции могут монопольно некоторое время обмениваться данными по кольцу.
Если таймер TRT истечет при значении Late_Ct, равном 1, то такое событие считается потерей маркера и порождает выполнение процесса реинициализации кольца Claim Token. Fast Ethernet. Термином Fast Ethernet называют набор спецификаций, разработанных комитетом IEEE 802.3, чтобы обеспечить недорогой, Ethernet-совместимый стандарт, способный обеспечить работу ЛВС на скорости 100 Мбит/сек.
Из-за чего возникла необходимость в таких скоростях? К этому времени существенно увеличилась диспропорция между скоростью работы процессоров рабочих станций, скоростью работы их устройств памяти и каналов ввода/вывода, в том числе и сетевых. Эта диспропорция не позволяла эффективно использовать возможности рабочих станций в сети.
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.
Отметим главные особенности эволюционного развития от сетей Ethernet к сетям Fast Ethernet стандарта IEEE 802.3u: десятикратное увеличение пропускной способности сегментов сети сохранение метода случайного доступа CSMA/CD, принятого в Ethernet сохранение формата кадра, принятого в Ethernet поддержка традиционных сред передачи данных - витой пары и волоконно-оптического кабеля
 Кроме указанных свойств, важной функцией этого стандарта является поддержка двух скоростей передачи 10/100 Мбит/сек. и автоматический выбор одной из них, встраиваемая в сетевые карты и коммутаторы Fast Ethernet. Все это позволяет осуществлять плавный переход от сетей Ethernet к более скоростным сетям Fast Ethernet, обеспечивая выгодную преемственность по сравнению с другими технологиями. Еще один дополнительный фактор - низкая стоимость оборудования Fast Ethernet.
На рисунке 4-46 показана структура уровней Fast Ethernet. Более сложная структура физического уровня технологии Fast Ethernet вызвана тем, что в ней используются три варианта кабельных систем - оптоволокно, двухпарная витая пара категории 5 и четырехпарная 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. А так как физические варианты Fast Ethernet создавались одновременно, а не эволюционно, то появилась возможность детально определить те подуровни физического уровня, которые не изменяются от варианта к варианту, и те, что специфичны для каждого варианта.
В стандарте Fast Ethernet функции кодирования выполняет подуровень кодирования PCS, размещенный ниже средонезависимого интерфейса MII. В результате этого каждый трансивер должен использовать свой собственный набор схем кодирования, наилучшим образом подходящий для соответствующего физического интерфейса, например, набор 4B/5B и NRZI для интерфейса 100Base-FX.
Рисунок 4-46. Структура уровней стандарта Fast Ethernet, MII-интерфейс и трансивер Fast Ethernet
Интерфейс MII (medium independent interface) в стандарте Fast Ethernet является аналогом интерфейса AUI в стандарте Ethernet. MII-интерфейс обеспечивает связь между подуровнями согласования и физического кодирования. Основное его назначение - упростить использование разных типов среды. MII-интерфейс предполагает дальнейшее подключение трансивера Fast Ethernet. Для связи используется 40-контактный разъем. Максимальное расстояние по MII-интерфейсному кабелю не должно превышать 0,5 м.
Стандартом Fast Ethernet IEEE 802.3u установлены три типа физического интерфейса (рисунок 47, таблица 48): 100Base-FX, 100Base-TX и 100Base-T4.
Рисунок 4-47. Физические интерфейсы стандарта Fast Ethernet
100Base-FX
Стандарт этого волоконно-оптического интерфейса полностью идентичен стандарту FDDI PMD. Интерфейс Duplex SC допускает дуплексный канал связи.
100Base-TX
Стандарт этого физического интерфейса предполагает использование неэкранированной  витой пары категории не ниже 5. Он полностью идентичен стандарту FDDI UTP PMD. Порт RJ-45 на сетевой карте и на коммутаторе может поддерживать наряду с режимом 100Base-TX режим 10Base-T, или функцию автоопределения скорости. Большинство современных сетевых карт и коммутаторов поддерживают эту функцию по портам RJ-45 и, кроме этого, могут работать в дуплексном режиме.
Метод кодирования 4B/5B. 10 Мбит/сек. версии Ethernet используют манчестерское кодирование для представления данных при передаче по кабелю. Метод кодирования 4B/5B определен в стандарте FDDI и без изменений перенесен в спецификацию PHY FX/TX. При этом методе каждые 4 бита данных MAC-подуровня (называемых символами) представляются 5 битами. Использование избыточного бита позволяет применить потенциальные коды при представлении каждого из пяти бит в виде электрических или оптических импульсов. Потенциальные коды обладают, по сравнению с манчестерскими кодами, более узкой полосой спектра сигнала, а, следовательно, предъявляют меньшие требования к полосе пропускания кабеля. Однако прямое использование потенциальных кодов для передачи исходных данных без избыточного бита невозможно из-за плохой самосинхронизации приемника и источника данных: при передаче длинной последовательности единиц или нулей в течение долгого времени сигнал не изменяется, и приемник не может определить момент чтения очередного бита.
При использовании пяти бит для кодирования шестнадцати исходных 4-битовых комбинаций можно построить такую таблицу кодирования, в которой любой исходный 4-битовый код представляется 5-битовым кодом с чередующимися нулями и единицами. Тем самым обеспечивается синхронизация приемника с передатчиком. Так как исходные биты MAC-подуровня должны передаваться со скоростью 100Мбит/cек., то наличие одного избыточного бита вынуждает передавать биты результирующего кода 4B/5B со скоростью 125 Мбит/cек., таким образом, межбитовое расстояние в устройстве PHY составляет 8 наносекунд.
Так как из 32 возможных комбинаций 5-битовых порций для кодирования порций исходных данных нужно только 16, то остальные 16 комбинаций в коде 4В/5B используются в служебных целях.
100Base-T4
Этот тип интерфейса позволяет обеспечить полудуплексный канал связи по витой паре UTP Cat.3 и выше. Именно возможность перехода предприятия со стандарта Ethernet на стандарт Fast Ethernet без радикальной замены существующей кабельной системы на основе UTP Cat.3 следует считать главным преимуществом этого стандарта.
Символьное кодирование 8B/6T. Если бы использовалось манчестерское кодирование, то битовая скорость в расчете на одну витую пару была бы 33,33 Мбит/с, что превышало бы установленный предел 30 МГц для таких кабелей. Эффективное уменьшение частоты модуляции достигается, если вместо прямого (2-уровневого) бинарного кода использовать 3-уровневый троичный код. Этот код, известный как 8B/6T, предполагает, что прежде, чем происходит передача, каждый набор из 8 бинарных битов (символ) сначала преобразуется в соответствии с определенными правилами в 6 троичных (3-уровневых) символов. На примере, показанном на рисунке 4-49 (b), можно определить скорость 3-уровневого символьного сигнала (100х6/8)/3=25МГц, значение которой не превышает установленный предел.
Интерфейс 100Base-T4 имеет один существенный недостаток - принципиальную невозможность поддержки дуплексного режима передачи. И если при строительстве небольших сетей Fast Ethernet с использованием повторителей 100Base-TX не имеет преимуществ перед 100Base-T4 (существует коллизионный домен, полоса пропускания которого не больше 100 Мбит/сек.), то при строительстве сетей с использованием коммутаторов недостаток интерфейса 100Base-T4 становится очевидным и очень серьезным. Поэтому данный интерфейс не получил столь большого распространения, как 100Base-TX и 100Base-FX.
Основные категории устройств, применяемых в Fast Ethernet, такие же, как и в Ethernet: трансиверы, конвертеры, сетевые карты (для установки на рабочие станции/файл-серверы), повторители, коммутаторы.
Трансивер - это (по аналогии с трансивером Ethernet) двухпортовое устройство, охватывающее подуровни PCS, PMA, PMD и AUTONEG, и имеющее с одной стороны MII-интерфейс, с другой - один из средозависимых физических интерфейсов (100Base-FX, 100Base-TX или 100Base-T4). Трансиверы используются сравнительно редко, как и редко используются сетевые карты, повторители и коммутаторы с интерфейсом MII.
Сетевая карта. Наиболее широкое распространение сегодня получили сетевые карты с интерфейсом 100Base-TX на шину PCI. Необязательными, но крайне желательными функциями порта RJ-45 является автоконфигурирование 100/10 Мбит/сек. и поддержка дуплексного режима. Большинство современных выпускаемых карт поддерживают эти функции.
Конвертер (media converter) - это двухпортовое устройство, оба порта которого представляют средозависимые интерфейсы. Конвертеры, в отличие от повторителей, могут работать в дуплексном режиме, за исключением случая, когда имеется порт 100Base-T4. Распространены конвертеры 100Base-TX/100Base-FX.
Коммутатор - одно из наиболее важных устройств при построении корпоративных сетей. Большинство современных коммутаторов Fast Ethernet поддерживает автоконфигурирование 100/10 Мбит/с по портам RJ-45 и могут обеспечивать дуплексный канал связи по всем портам (за исключением 100Base-T4). Коммутаторы могут иметь специальные дополнительные слоты для установления uplink-модуля. В качестве интерфейсов у таких модулей могут выступать оптические порты типа Fast Ethernet 100Base-FX, FDDI , ATM (155 Мбит/сек.), Gigabit Ethernet и др.
Gigabit Ethernet. 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.
В марте 1996 года комитет IEEE 802.3 одобрил проект стандартизации Gigabit Ethernet 802.3z. В мае 1996 года 11 компаний организовали Gigabit Ethernet Alliance.
Альянс объединил усилия большого числа ведущих производителей сетевого оборудования на пути выработки единого стандарта и выпуска совместимых продуктов Gigabit Ethernet и преследовал следующие цели: поддержка расширения технологий Ethernet и Fast Ethernet в ответ на потребность в более высокой скорости передачи разработка технических предложений с целью включения в стандарт выработка процедур и методов тестирования продуктов от различных поставщиков
 29 июня 1998 г., с задержкой примерно на полгода от первоначально запланированного графика, был принят стандарт IEEE 802.3z. Соответствующие спецификации регламентируют использование одномодового, многомодового волокна, а также витой пары UTP cat.5 на коротких расстояниях (до 25 м). Стандартизация системы передачи Gigabit Ethernet по неэкранированной витой паре на расстояния до 100 м требовала разработки специального помехоустойчивого кода для чего был создан отдельный подкомитет P802.3ab. 28 июня 1999 г. был принят соответствующий стандарт.
На рисунке 4-50 показана структура уровней Gigabit Ethernet. Как и в стандарте Fast Ethernet, в Gigabit Ethernet не существует универсальной схемы кодирования сигнала, которая была бы идеальной для всех физических интерфейсов - так, для стандартов 1000Base-LX/SX/CX используется кодирование 8B/10B, а для стандарта 1000Base-T - специальный расширенный линейный код TX/T2. Функцию кодирования выполняет подуровень кодирования PCS, размещенный ниже средонезависимого интерфейса GMII.
Рисунок 4-50. Структура уровней стандарта Gigabit Ethernet, GII-интерфейс и трансивер Gigabit Ethernet
GMII-интерфейс. Средонезависимый интерфейс GMII (gigabit media independent interface) обеспечивает взаимодействие между уровнем MAC и физическим уровнем. GMII-интерфейс является расширением интерфейса MII и может поддерживать скорости 10, 100 и 1000 Мбит/сек. Он имеет отдельные 8-битные приемник и передатчик и может поддерживать как полудуплексный, так и дуплексный режимы. Кроме этого, GMII-интерфейс несет один сигнал, обеспечивающий синхронизацию (clock signal), и два сигнала состояния линии - первый (в состоянии ON) указывает наличие несущей, а второй (в состоянии ON) говорит об отсутствии коллизий. Также GMII-интерфейс обеспечивает еще несколько сигнальных каналов и питание. Трансиверный модуль, охватывающий физический уровень и обеспечивающий один из физических средозависимых интерфейсов, может подключаться, например, к коммутатору Gigabit Ethernet посредством GMII-интерфейса.
Подуровень физического кодирования PCS. При подключении интерфейсов группы 1000Base-X подуровень PCS использует блочное избыточное кодирование 8B10B, заимствованное из стандарта ANSI X3T11 Fibre Channel. На основе сложной кодовой таблицы каждые 8 входных битов, предназначенные для передачи на удаленный узел, преобразовываются в 10-битные символы (code groups). Кроме этого, в выходном последовательном потоке присутствуют специальные контрольные 10-битные символы. Примером контрольных символов могут служить символы, используемые для расширения носителя (дополняют кадр Gigabit Ethernet до его минимального размера - 512 байт). При подключении интерфейса 1000Base-T подуровень PCS осуществляет специальное помехоустойчивое кодирование для обеспечения передачи по витой паре UTP Cat.5 на расстояние до 100 метров. Два сигнала состояния линии - сигнал наличия несущей и сигнал отсутствия коллизий - генерируются этим подуровнем.
Подуровни PMA и PMD. Физический уровень Gigabit Ethernet использует несколько интерфейсов, включая традиционную витую пару категории 5, а также многомодовое и одномодовое волокно. Подуровень PMA преобразует параллельный поток символов от PCS в последовательный поток, а также выполняет обратное преобразование (распараллеливание) входящего последовательного потока от PMD. Подуровень PMD определяет оптические/электрические характеристики физических сигналов для разных сред. Всего определено 4 различных типов физических интерфейсов среды, которые отражены в спецификация стандарта 802.3z (1000Base-X) и 802.3ab (1000Base-T) (рисунок 4-51).
Рисунок 4-51. Физические интерфейсы стандарта Gigabit Ethernet
Интерфейс 1000Base-X основан на стандарте физического уровня Fibre Channel. Эта технология будет подробнее рассмотрена ниже. Fibre Channel - это технология взаимодействия рабочих станций, суперкомпьютеров, устройств хранения и периферийных узлов. Fibre Channel имеет 4-уровневую архитектуру. Два нижних уровня FC-0 (интерфейсы и среда) и FC-1 (кодирование/декодирование) перенесены в Gigabit Ethernet. Поскольку Fibre Channel является одобренной технологией, то такое перенесение сильно сократило время на разработку оригинального стандарта Gigabit Ethernet.
1000Base-X подразделяется на три физических интерфейса, различающихся характеристиками источника и приемника излучения: интерфейс 1000Base-SX и 1000Base-LX для многомодового оптоволокна и 1000Base-CX для экранированной витой пары (STP «twinax») на коротких расстояниях.
1000Base-T - это стандартный интерфейс Gigabit Ethernet для передачи по неэкранированной витой паре категории 5 и выше на расстояния до 100 метров. Для такой передачи используются все четыре пары медного кабеля, скорость передачи по одной паре - 250 Мбит/cек. Предполагается, что стандарт будет обеспечивать дуплексную передачу, причем данные по каждой паре будут передаваться одновременно сразу в двух направлениях (двойной дуплекс). 1000Base-T. Технически реализовать дуплексную передачу 1 Гбит/сек. по витой паре UTP cat.5 оказалось довольно сложно, значительно сложней, чем в стандарте 100Base-TX. В качестве кандидатов на утверждение в стандарте 1000Base-T рассматривались первоначально несколько методов кодирования, среди которых 5-уровневое импульсно-амплитудное кодирование PAM-5, квадратурная амплитудная модуляция QAM-25 и др. Ниже кратко приведены идеи PAM-5, окончательно утвержденного в качестве стандарта.
Почему выбрано 5-уровневое кодирование? Распространенное четырехуровневое кодирование обрабатывает входящие биты парами. Всего существует 4 различных комбинации - 00, 01, 10, 11. Передатчик может для каждой пары бит установить свой уровень напряжения передаваемого сигнала, что уменьшает в 2 раза частоту модуляции четырехуровневого сигнала, 125 МГц вместо 250 МГц (рисунок 4-52), и, следовательно, частоту излучения. Пятый уровень добавлен для создания избыточности кода, в результате чего становится возможной коррекция ошибок на приеме.
Рисунок 4-52. Схема 4-уровневого кодирования PAM-4
Уровень MAC-стандарта Gigabit Ethernet использует тот же самый протокол передачи CSMA/CD, что и его предки Ethernet и Fast Ethernet. Основные ограничения на максимальную длину сегмента (или коллизионного домена) определяются этим протоколом. В стандарте Ethernet IEEE 802.3 принят минимальный размер кадра, равный 64 байтам. Как уже неоднократно отмечалось, именно значение минимального размера кадра определяет максимально допустимое расстояние между станциями. Время, за которое станция передает такой кадр (время канала), равно, как мы уже отмечали, 51,2 мксек. Максимальная длина сети Ethernet определяется из условия разрешения коллизий, а именно, время, за которое сигнал доходит до удаленного узла и возвращается обратно, не должно превышать 51,2 мксек. (без учета преамбулы).
При переходе от Ethernet к Fast Ethernet скорость передачи возрастает, а время трансляции кадра длины 64 байта соответственно сокращается - оно равно 5,12 мксек. Чтобы можно было обнаруживать все коллизии до конца передачи кадра, как и раньше, необходимо выполнить одно из условий:
Сохранить прежнюю максимальную длину сегмента, но увеличить время канала (и, следовательно, увеличить минимальную длину кадра)
Сохранить время канала (сохранить прежний размер кадра), но уменьшить максимальную длину сегмента
Опять же в силу преемственности, стандарт Gigabit Ethernet должен поддерживать те же минимальный и максимальный размеры кадра, которые приняты в Ethernet и Fast Ethernet. Но поскольку скорость передачи возрастает, то, соответственно, уменьшается и время передачи пакета аналогичной длины. При сохранении прежней минимальной длины кадра это привело бы к уменьшению диаметра сети, который не превышал бы 20 метров, что могло быть мало полезным. Поэтому при разработке стандарта Gigabit Ethernet было принято решение увеличить время передачи. В Gigabit Ethernet оно в 8 раз превосходит время Ethernet и Fast Ethernet. Но, чтобы поддержать совместимость со стандартами Ethernet и Fast Ethernet, минимальный размер кадра не был увеличен, зато к кадру было добавлено дополнительное поле, получившее название «расширение носителя».
Символы в дополнительном поле обычно не несут служебной информации, но они заполняют канал. В результате коллизия будет регистрироваться всеми станциями при большем диаметре коллизионного домена.
Если станции нужно передать короткий (меньше 512 байт) кадр, то при передаче добавляется поле «расширение носителя», дополняющее кадр до 512 байт. Поле контрольной суммы вычисляется только для оригинального кадра и не распространяется на поле расширения. При приеме кадра поле расширения отбрасывается. Поэтому уровень LLC даже и не знает о наличии такого поля. Если размер кадра равен или превосходит 512 байт, то поле расширения носителя отсутствует. |
56
5
План-конспект урока по теме Высокоскоростные протоколы для локальных вычислительных сетей 