Разработка кабельной системы

В сети стандарта 802.3 можно использовать волоконно-оптические кабельные системы. Главные их достоинства - устойчивость к любому виду взаимных электрических помех и возможность обеспечить дальность связи. Длина волоконно-оптического канала связи может составлять до 4,5 км. По сообщениям фирмы Codenoll, которая является одним из ведущих поставщиков на этом рынке, силами этой фирмы была успешно осуществлена инсталляция самой большой в мире волоконно-оптической сети в штаб-квартире компании Southwestern Bell (г. Сент-Луис, шт. Миссури, США). Эта сеть охватывает помещения обшей площадью полтора миллиона кв. футов на 44 этажах и состоит из 3000 станций, соединенных 92 милями волоконно-оптического кабеля.

На каждой рабочей станции сети должна быть установлена NIC, рассчитанная на передачу в соответствии со стандартом 802.3 по волоконно-оптическому кабелю. Codenoll предлагает трансивер, который выполнен как внешний, но следует, однако, отметить, что в такой сети принцип работы как приемников, так и передатчиков в любом варианте исполнения одинаков; передатчики преобразуют электрические сигналы в световые импульсы, а в приемниках производите обратное преобразование оптических сигналов в электрические.

Оптический шинный звездообразный ответвитель посылает оптические сигналы всем станциям сети. Он представляет собой эквивалент концентратора, о котором упоминалось при рассмотрении стандарта l0BaseT. Использование повторителей позволяет, во-первых, увеличить расстояние, на которое передается информация, и, во-вторых, реализовать «каскадные звезды» путем соединения оптических звездообразных ответвителей. На рынке предлагаются различные модели этих ответвителей (в этом легко убедиться на примере ассортимента изделий фирмы Codenoll): коаксиальный / волоконно-оптический, волоконно-оптический / волоконно-оптический, коаксиальный / коаксиальный. Реальные волоконно-оптические кабели поставляются с уже смонтированными соединителями и заменяют собой коаксиальные кабельные системы и витые пары.

Высокоскоростные варианты сети Ethernet

Многим фирмам, имеющим большие ЛВС типа Ethernet, уже пришлось столкнуться с сетевым эквивалентом дорожной пробки. Как только процент использования сети превышает 40%, ее пропускная способность падает и начинают поступать жалобы от пользователей. Поэтому администраторы сетей были вынуждены заняться поиском способов увеличения трафика, не требующих ввода в эксплуатацию новых сетевых «автострад».

Коммутируемая Ethernet

Первой концепцию коммутируемой Ethernet-технологии внедрила фирма Kalpana. За ней последовали другие фирмы, в частности Alantec и Ariel. Эта технология предусматривает разбиение большой сети на меньшие сегменты с соответственно меньшим числом пользователей в каждом сегменте. Каждый коммутационный порт отвечает за фильтрацию трафика, передаваемого в подключенный к нему сегмент. Если узел в одном сегменте передает сообщение узлу в другом сегменте, то порт пересылает сообщение в коммутационную систему и далее в соответствующий порт назначения. Коммутатор обеспечивает одновременные соединения между сегментами со скоростью 10 Мбит/с.

В концепции фирмы Kalpana для передачи пакетов используется не буферизованная коммутация, а метод, известный как сквозная коммутация (cut-through). Порт коммутатора передает пакет в порт назначения сразу по прочтении адреса пункта назначения. Такой метод позволяет сократить до минимума время ожидания при передаче между портами. К недостаткам этого метода можно отнести конфликты пакетов и возможность прибытия в сегмент-адресат дефектных пакетов.

В большинстве других коммутаторов используется буферизованная коммутация. Этот метод предполагает наличие буфера. Пакет принимается в эту память, и его конечный порт назначения определяется микропроцессором и встроенными программами по таблице адресов.

Но следует отметить, что коммутатор Ethernet хорош только в качестве временного решения, поскольку число его портов ограничено. Вследствие этого покупка коммутатора связана с теми же проблемами, что и покупка учрежденческой телефонной станции, - правда, в меньших масштабах. Администратор сети должен изучить планы перспективного расширения имеющейся сети и попытаться определить, существует ли коммутатор, который мог бы обеспечить необходимый уровень производительности. Для компании, располагающей сетью из 22-х сегментов с перспективой добавления еще двух-трех, покупка коммутатора с двумя возможными вариантами - на 24 и 48 узлов - вряд ли окажется целесообразной.

Дуплексная Ethernet

В конце 1993 года фирма Kalpana внедрила дуплексную технологию Ethernet. Эта сеть состоит из двух каналов со скоростью передачи 10 Мбит/с, один из которых служит для приема, а другой - для передачи данных по соединению точка-точка. На обоих концах дуплексного соединения данные могут одновременно передаваться и приниматься по нуль-модемному кабелю, что в сумме дает пропускную способность 20 Мбит/с. С коммутатором Kalpana на скорости 20 Мбит/с может работать сервер с EISA-шиной и адаптером NetFlex-2 фирмы Compaq или сервере шиной Micro Channel и адаптером EtherStreamer-32 фирмы IBM.

В сетях, реализованных по дуплексной технологии Ethernet, имеется серьезное ограничение по производительности. Дело в том, что скорости, близкой к 20 Мбит/с, в такой сети можно достичь только тогда, когда трафик сбалансирован в обоих направлениях. А поскольку связь клиент-сервер в большинстве случаев является односторонней, то чаще всего общая производительность оказывается ниже ожидаемой. Однако дуплексные Ethernet-адаптеры все же обеспечивают гораздо более высокую пропускную способность даже в полудуплексном режиме, поэтому при использовании дуплексной Ethernet общая эффективность сети все равно будет выше, и администраторам сетей полезно об этом знать.

Дуплексная Ethernet - это коммутируемая специализированная версия стандартной Ethernet, в которой каналы со скоростью передачи 10 Мбит/с можно формировать в двух направлениях, чтобы добиться суммарной пропускной способности 20 Мбит/с. Аппаратные средства для реализации этой технологии на рынке присутствуют в широком ассортименте. Так, поскольку шина Micro Chsnnel фирмы IBM обеспечивает пакетный режим, IBM предлагает для дуплексных Ethernet-сетей свои платы LANStreamer и EtherStreamer, рекламируя их как наиболее удачные разработки в этой области. Фирма Texas Instruments также проявляет интерес к дуплексной Ethernet, но ее разработки существенно отличаются от изделий других поставщиков Ethernet. Предлагается также совместная разработка фирм SynOptics и Kalpana: дуплексный коммутатор встроен в концентраторы. Compaq тоже не обошла вниманием этот сегмент рынка. Она прелагает свою плату NetFlex с микросхемами Texas Instruments.

Обилие предложений на рынке порождает серьезную проблему для администраторов сетей. Она заключается в несовместимости упомянутых аппаратных средств. Поэтому, несмотря на то, что разработками в данной области занимается такая авторитетная фирма, как Cabletron, многие поставщики заняли выжидательную позицию, т.к. пока неизвестно, проявят ли интерес покупатели к этой версии технологии. Если только потребитель не приобрел одну из интеллектуальных разработок типа предлагаемых фирмами Cabletron и SynOptics, то ему, конечно же, не следует торопиться с вложением средств в эту технологию, ибо она не обеспечивает приемлемой совместимости в сетях масштаба предприятия. Кроме того, при стоимости около $700 за порт дуплексная Ethernet по цене значительно превосходит Ethernet со скоростью передачи 100 Мбит/с.

100-VG AnyLAN

Основными разработчиками технологии lOOBaseVG AnyLAN, по реализации напоминающей комбинацию Ethernet и Token Ring со скоростью передачи 100 Мбит/с, работающей на неэкранированных витых парах (UTP) категорий 3-5, являются фирмы Hewlett-Packard, AT&T и IBM. Эта технология в конечном итоге стала стандартом IEEE 802.12. В спецификации 100-VG (Voice Grade, т.е. «класс передачи речи») предусматривается поддержка волоконно-оптических кабельных систем и экранированных витых пар (STP). Число потенциальных потребителей этой технологии представляется достаточно большим, поскольку многие сети Token Ring включают кабели на экранированных витых парах.

В технологии 100-VG используется не традиционный для Ethernet метод CSMA/CD, а другой метод доступа - обработка запросов по приоритету (demand priority). В этом случае всем узлам сети предоставляется право равного доступа. Концентратор опрашивает каждый порт и проверяет наличие запроса на передачу, а затем разрешает этот запрос в соответствии с приоритетом. Имеются два уровня приоритетов - высокий и низкий.

Система обработки запросов по приоритету работает на четырехпарных кабелях из неэкранированных витых пар категорий 3, 4 и 5, на двухпарных кабелях из экранированных питых пар (STP или IBM тип 1), а также на одномодовых и многомодовых волоконно-оптических кабелях. Для передачи данных по неэкранированным витым парам применяется технология квадратурного кодирования (quartet coding). Данные разбиваются на четыре параллельных потока, каждый из которых направляется по одной паре четырехпарного UTP-кабеля. В каждой паре проводов для передачи двух битов информации за один цикл применяется эффективная схема кодирования 5В6В NRZ (пять битов - шесть битов без возвращения к нулю). Таким образом, квадратурное кодирование позволяет передавать по четырехпарному UTP-кабелю 100 Мбит данных в секунду, при этом частоты сигналов в отдельных витых парах сохраняются на уровне не выше 25МГц.

Для того чтобы обеспечить передачу 100 Мбит данных в секунду по кабелю на экранированных витых парах, данные в сети 100-VG AnyLAN разбиваются на два параллельных потока. Этот метод позволяет воспользоваться преимуществом сравнительно высокого уровня экранирования, который обеспечивает экранированная витая пара, и передавать данные на более высоких частотах. В результате скорость передачи 100 Мбит/с достигается всего на двух парах проводов.

Как и в технологии 10BaseT, в 100BaseVG AnyLAN возможно каскадирование концентраторов в пределах одной подсети и расширение конфигурации сети без дополнительных мостов или иных компонентов. В каскадной конфигурации 100-VG AnyLAN протокол обработки запросов по приоритету позволяет концентраторам автоматически определять, подключены они к концентратору более высокого уровня или нет. Получив запрос на передачу пакета из подключенного узла, концентратор нижнего уровня направляет этот запрос в концентратор следующего более высокого уровня. Концентратор верхнего уровня проводит арбитраж этого запроса вместе с запросами, поступившими от других узлов и концентраторов. После тоге как концентратор верхнего уровня подтвердит по очереди прием каждого запроса, подтверждение направляется по каскаду в концентратор нижнего уровня, который по его получении подтверждает прием всех ожидающих запросов, а после этого возвращает управление концентратору более высокого уровня. Когда концентратор нижнего уровня передаст подтверждение в запросивший узе, последний начнет передачу пакета, имея гарантию его бесконфликтного прохождения по всем подключенным концентраторам данной подсети.

Таким образом, схема арбитража запросов по приоритетам позволяет работать множеству концентраторов по принципу равного доступа и без снижения эффективности сети. Как и 10BaseT, сеть 100-VG AnyLAN можно сегментировать с помощью мостов и коммутаторов, обеспечивая таким образом одновременную передачу пакетов в отдельных подсетях, что еще более увеличивает полосу пропускания для отдельных узлов и серверов. Вариант топологии сети 100-VG AnyLAN представлен на рис. 7.

Серьезными недостатками технологии 100-VG являются отход от традиционного для Ethernet метода доступа CSMA/CD и ощутимый недостаток совместимости с существующими сетями Ethernet. Если технология 100-VG AnyLAN применяется для расширения работающей сети lOBaseT, то для соединения подсетей IOBaseT и 100-VG AnyLAN необходим мост-согласователь скоростей передачи. Этот мост буферизует высокоскоростные пакеты, поступающие в менее скоростную сеть. Поскольку и в 10BaseT, и в l00BaseVG AnyLAN можно использовать один и тот же формат Ethernet-пакета, преобразования пакетов и других операций обработки не требуется.

Для расширения узлов 10BaseT их сетевые адаптеры необходимо заменить адаптерами 100-VG AnyLAN. Прокладывать новый кабель нс нужно. Можно использовать тот же соединитель RJ-45 и те же неэкранированные витые пары, которые применяются в ЛВС 10BaseT. Второй шаг по замене старых узлов l0BaseT узлами 100-VG AnyLAN состоит в отключении кабельных соединителей узлов от портов концентратора 10BaseT в монтажном шкафу и подключении их к портам концентратора 100-VG AnyLAN.

Fast Ethernet

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.

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.

В традиционных сетях Ethernet с пропускной способностью 10 Мбит/с максимальное расстояние между двумя конечными станциями составляет 2500 метров.

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.

Максимальная длина сегмента в сети 100BaseT составляет 250 метров, то есть всего 10% от теоретического предела протяженности сети Ethernet.

Ввиду увеличения пропускной способности при переходе к 100BaseT, расстояние между конечными рабочими станциями не должно превышать 250 м.

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. 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.

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 100 метров. 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.

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.

Gigabit Ethernet

Gigabit Ethernet стал новым любимчиком в отрасли, временно затмив ATM и другие технологии, также обещавшие решить проблемы нехватки полосы пропускания. Один взгляд на выставку NetWorld+Interop в Атланте подтверждает, что Gigabit Ethernet - это технология дня.

Продукты Gigabit Ethernet разрабатывают многие компании, а Cisco Systems даже решилась раскошелиться в сентябре 1996 года на 220 млн. долларов для приобретения Granite Systems, частной компании, занятой разработкой многоуровневой коммутации на основе специализированных интегральных микросхем. Несмотря на то что появление стандарта ожидается не ранее 1998 года, пользователям пора подумать о том, как перевести свои перегруженные ресурсы на гигабитную скорость и где Gigabit Ethernet стыкуется с ATM.

По аналогии с тем, что 100Base-T Fast Ethernet - близкий родственник 10Base-T, IEEE предполагает сделать Gigabit Ethernet частью все того же семейства Ethernet, но при этом кадры будут проскакивать через сеть с огромной скоростью в 1000 Мбит/с.

И Fast Ethernet, и Gigabit Ethernet позиционируются как логические расширения Ethernet на 10 Мбит/с, но обе эти технологии опираются также на стандартные высокоскоростные сетевые топологии. Так, физический уровень FDDI был заимствован и адаптирован для Fast Ethernet. Аналогично, Gigabit Ethernet собирается воспользоваться физическим уровнем Fiber Channel. Fiber Channel обеспечивает пропускную способность около 800 Мбит/с, но за счет повышения скорости передачи сигнала до 1,25 Гбит/с потенциальная пропускная способность Gigabit Ethernet составит 1000 Мбит/с, или 1 Гбит/с.

Исходная черновая спецификация определяет стандарт Gigabit Ethernet для одномодового и многомодового оптоволокна с использованием возможностей физического уровня технологии Fiber Channel. Это может оказаться несколько неожиданным для пользователей Ethernet, которые привыкли к тому, что они могут работать с различными типами медного кабеля.

Окончательная спецификация Gigabit Ethernet должна включать стандарт и на медный кабель. Выбор среды передачи зависит от того, где организация собирается развертывать Gigabit Ethernet.

Большинство других аспектов Gigabit Ethernet будут аналогичны принятой спецификации Ethernet 802.3, в том числе используемый в полудуплексных сетях Ethernet метод множественного доступа с контролем несущей и обнаружением коллизий (CSMA/CD).

Как было указано выше, трудности с CSMA/CD в том, что увеличение скорости приводит к уменьшению протяженности сегмента. Это весьма проблематично, когда данные должны передаваться с гигабитной скоростью. Один из способов решения данной проблемы состоит в использовании так называемого полнодуплексного повторителя CSMA/CD, благодаря которому протяженность сегмента может быть увеличена. Он сочетает в себе черты повторителя CSMA/CD и коммутатора Ethernet.

Полнодуплексный повторитель в сети Gigabit Ethernet передает кадр во многом аналогично традиционному повторителю CSMA/CD - с одного порта на все остальные, разделяя таким образом полосу пропускания в 1000 Мбит/с между всеми подсоединенными устройствами. Полнодуплексный повторитель должен иметь полнодуплексные каналы к каждой подключенной станции, причем на полнодуплексных каналах метод CSMA/CD применяться не будет - здесь для обеспечения доступа и контроля за перегрузкой в разделяемой полосе пропускания такой повторитель будет использовать механизм управления потоком кадров 802.3x.

Повторитель CSMA/CD может работать и с полно-, и с полудуплексными каналами, однако он рассматривает все каналы как полудуплексные. Полнодуплексные повторители и повторители CSMA/CD будут отличаться ценой и производительностью. Полнодуплексный повторитель обеспечит более высокую производительность, в то время как повторитель CSMA/CD будет дешевле. GEA предполагает, что в окончательный стандарт IEEE войдут обе схемы.

Переход к Gigabit Ethernet, как и к любой другой технологии, происходит в несколько этапов. Тот факт, что Gigabit Ethernet позволяет осуществлять полнодуплексную передачу данных, делает его идеальным кандидатом на роль сетевой магистрали, где высокоскоростная связь между коммутаторами 10/100Base-T в высшей степени необходима. При добавлении гигабитных модулей к краевым коммутаторам на 10/100 Мбит/с администраторы сетей смогут поддерживать больше разделяемых и коммутируемых сегментов Ethernet. Кроме того, такая сеть будет поддерживать большую пропускную способность и большее число узлов в одном сегменте. Основная масса специалистов отрасли считают, что первые продукты будут развертываться именно на этом уровне.

UB Networks объявила о том, что она собирается поставлять коммутирующий концентратор GeoLAN/500 Nonstop с портом для каскадирования Gigabit Ethernet с середины 1997 года. Другие компании, известные своими коммутаторами Ethernet, тоже намереваются выпустить порты для каскадирования Gigabit Ethernet.

После перевода магистрали на гигабитную скорость вслед за ней должны последовать и другие части сети. Следующим этапом перехода к Gigabit Ethernet станет модернизация каналов между коммутаторами Fast Ethernet. Перевод каналов между коммутаторами на гигабитную скорость позволит коммутаторам на 10/100 Мбит/с поддерживать большее число коммутируемых и разделяемых сегментов Fast Ethernet.

Если гигабитные порты для каскадирования и гигабитные коммутаторы будут первыми, использующими эту технологию продуктами, то далее, вероятно, появятся и гигабитные сетевые платы для высокопроизводительных суперсерверов. Серверы затем могут быть подключены к уже установленным в сети гигабитным коммутаторам для обеспечения обмена данными с темпом 1000 Мбит/с.

Gigabit Ethernet противопоставляется иногда ATM, как высокоскоростная технология для магистрали, однако это далеко не тот род конкуренции, которому мы время от времени становимся свидетелями.

Стандарт IEEE 802.5: сети Token-Ring

Многие крупные компании имеют сети смешанной архитектуры. Доминирует среди них Ethernet, но присутствует и большое количество сетей Token-Ring (маркерное кольцо). Комитет IEEE 802 разработал стандарт, получивший известность как IEEE 802.5 и определивший локальную сеть без конкуренции, сеть, логически представляющую собой кольцо, а физически - звезду. Кабели к отдельным рабочим станциям идут по радиусам от концентратора - т.н. устройства многостанционного доступа (multistation access units). Комитет IEEE 802.5 опубликовал свой проект в Голубой книге и регулярно дополняет его. Исходная спецификация предусматривала скорость передачи 4 Мбит/с. Сегодня практически все предлагаемые на рынке адаптеры - двухскоростные, на 4 и 16 Мбит/с.

Использование маркеров в сетях 802.5

Маркер (token) представляет собой определенную последовательность битов и одновременно может быть использован только одной рабочей станцией или узлом. Передающая рабочая станция физически видоизменяет эту маркерную битовую последовательность - это является сообщением всем другим рабочим станциям, что маркер занят. Маркер, преобразованный в кадр, содержащий сообщение, передается по кольцу до тех пор, пока не попадет на рабочую станцию-адресат.

Сообщения, посылаемые по кольцевой маркерной сети, получают все рабочие станции. Каждая станция проверяет, не ей ли это сообщение адресовано. Если нет, то станция выступает в роли ретранслятора и передает полученный кадр на следующую рабочую станцию сети. Когда станция-адресат наконец получает сообщение. она копирует его в свою память, а затем возвращает его по кольцу обратно передающей станции. Последняя проверяет, нормально ли скопировано сообщение, после чего «ожидает» маркер для использования другими станциями.

Не правда ли, передача маркера напоминает игру в «глухой телефон», в которой участники садятся в кружок и шепотом передают друг другу сообщение, пока его не услышит тот, с которого началась игра? Теперь представим себе, что один из играющих уснул и не передал нужные слова соседу. Очевидно, что в этом случае сообщение не сможет обойти полный круг. Концентратор решает подобные проблемы путем обхода неработающих станции (подробнее на этом мы остановимся ниже в этой же главе). Таким образом сохраняется работоспособность сети в случае отказа одного из ее узлов.

Сеть Token Ring со скоростью передачи 16 Мбит/с

На предприятиях, где имеется сеть Token Ring со скоростью передачи 16 Мбит/с, сети обычно очень большие. При построении таких сетей значительную роль играет волоконная оптика. Многие поставщики предлагают преобразователи для включения волоконно-оптических кабелей в маркерное кольцо. Эти преобразователи позволяют реализовать оптические каналы связи между монтажными шкафами через многомодовый волоконно-оптический кабель 62,5/125 или 100/140.

Такие волоконно-оптические системы часто имеют специальное программное обеспечение управления сетью, и, кроме того, в них предусмотрены два различных пути прохождения сигналов (основной и резервный). Как правило, по основному пути проходит сетевой трафик, а по резервному - служебные сигналы. В случае обнаружения собственной неисправности оптические преобразователи отключаются от сети, а после ее устранения - подключаются вновь.

Досрочная передача маркера в 16-Мбит/с сети Token Ring. Рабочая станция в сети Token Ring со скоростью передачи 16 Мбит/с может передавать маркер сразу же после передачи кадра данных, не дожидаясь, пока кадр вернется. Согласно утверждениям представителей IBM, использование в одной сети нескольких маркеров при длине кадра свыше 128 байтов может повысить эффективность использования сети до 95% и более.

Стандарт FDDI

В виду того, что стандарт FDDI применяется в основном при построении магистралей, в этом разделе будут уделено определенное внимание таким понятиям мост(bridge) и маршрутизатор(router). Кроме того, для понимания общей концепции ЛВС ниже упомянуто более расширено и про концентратор(hub).

Принцип действия сети FDDI

Сравним пропускную способность сетей FDDI и Ethernet при многопользовательском доступе. Допустимый уровень утилизации сети Ethernet лежит в пределах 35% (3.5 Мбит/сек) от максимальной пропускной способности (10 Мбит/сек), в противном случае вероятность возникновения коллизий становится не слишком высокой и пропускная способность кабеля резко снизится. Для сетей FDDI допустимая утилизация может достигать 90-95% (90-95 Мбит/сек). Таким образом, пропускная способность FDDI приблизительно в 25 раз выше.

Детерминированная природа протокола FDDI (возможность предсказания максимальной задержки при передаче пакета по сети и возможность обеспечить гарантированную полосу пропускания для каждой из станций) делает его идеальным для использования в сетевых АСУ ТП реального времени и в приложениях, критичных ко времени передачи информации (например для передачи видео и звуковой информации).

Многие из своих ключевых свойств FDDI унаследовала от сетей Token Ring. Прежде всего - это кольцевая топология и маркерный метод доступа к среде.

Однако FDDI имеет и ряд принципиальных отличий от Token Ring, делающий ее более скоростным протоколом. Например, изменен алгоритм модуляции данных на физическом уровне. Token Ring использует схему манчестерского кодирования, требующую удвоения полосы передаваемого сигнала относительно передаваемых данных. В FDDI реализован алгоритм кодирования «пять из четырех» - 4В/5В, обеспечивающий передачу четырех информационных бит пятью передаваемыми битами. При передаче 100 Мбит информации в секунду физически в сеть транслируется 125 Мбит/сек, вместо 200 Мбит/сек, что потребовалось бы при использовании манчестерского кодирования.

Оптимизировано и управление доступа к среде. В Token Ring оно основано на побитовой основе, а в FDDI на параллельной обработке группы из четырех или восьми передаваемых битов. Это снижает требования к быстродействию оборудования.

Физически кольцо FDDI образовано волоконно-оптическим кабелем с двумя светопроводящими волокнами. Одно из них образует первичное кольцо (primary ring), является основным и используется для циркуляции маркеров данных. Второе волокно образует вторичное кольцо (secondary ring), является резервным и в нормальном режиме не используется.

Станции, подключенные к сети FDDI, подразделяются на две категории.

1. Станции класса А имеют физические подключения к первичному и вторичному кольцам (Dual Attached Station - двукратно подключенная станция);

2. Станции класса B имеют подключение только к первичному кольцу (Single Attached Station - однократно подключенная станция) и подключается только через специальные устройства, называемые концентраторами.

Порты сетевых устройств, подключаемых к сети FDDI, классифицируются на 4 категории: А порты, В порты, М порты и S порты. Портом А называется порт, принимающий данные из первичного кольца и передающий их во вторичное кольцо. Порт В-это порт, принимающий данные из вторичного кольца и передающий их в первичное кольцо. М (Master) и S (Slave) порт передают и принимают данные с одного и того же кольца. М порт используется на концентраторе для подключения Single Attached Station через S порт.

Стандарт X3T9.5 имеет ряд ограничений. Общая длина двойного волоконно-оптического кольца - до 100 км. К кольцу можно подключить до 500 станций класса А. Расстояние между узлами при использовании многомодового волоконно-оптического кабеля - до 2 км, а при использовании одномодового кабеля определяется в основном параметрами волокна и приемо-передающего оборудования (может достигать 60 и более км).

Отказоустойчивость сетей FDDI

4. Выключение питания или отказ одной из станций класса А не приведет к отказу остальных станций, подключенных к кольцу, т.к. световой сигнал будет просто пассивно передаваться к следующей станции через оптический переключатель (Optical Bypass Switch). Стандарт допускает иметь до трех последовательно расположенных выключенных станций.

Оптические переключатели производят фирмы Molex и AMP.

4.4 Сетевое оборудование

В виду того, что самой распространенной сетевой архитектурой в России является сетевая архитектура Ethernet/Fast Ethernet, дальнейшее рассмотрение темы ЛВС будет проходить на примерах именно из этих технологий.

Концентратор (Hub)

Различие между ними заключается в том, что концентратор имеет не два, а много (до 32) портов. В случае сетей Ethernet эта технология называется l0Base-T, а в случае Fast Ethernet - l00Base-T. Общий принцип работы концентратора показан на рис. 4.8. и рис. 4.9.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4.8. Базовый концентратор

Использование концентратора дает некоторые преимущества и упрощает прокладку кабелей. Причем установить концентратор значительно проще, так как соединения идут от центра к каждому узлу сети. Подобным образом устроены все телефонные системы. Кроме того, для соединения узлов с концентратором используется недорогая неэкранированная витая пара. В технологии l0Base-T/100Base-T для этой цели применяется обычный телефонный кабель, что значительно упрощает прокладку сети в старых зданиях. Часто потребность в прокладке нового кабеля отпадает вовсе, так как сигналы проходят по уже существующему телефонному кабелю.

Использование дешевой витой пары действительно снижает стоимость сети. Однако самое большое преимущество концентраторов состоит в том, что они в определенной мере являются «интеллектуальными» устройствами, контролирующими каждое соединение в сети. К тому же повторители Ethernet и Fast Ethernet обладают многими новыми возможностям. Правда, в то время как Ethernet поддерживает две физические топологии - шину и звезду. Fast Ethernet поддерживает только звезду. Сеть Fast Ethernet не может работать на коаксиальном кабеле.

При работе с Ethernet и Fast Ethernet термины концентратор и повторитель взаимозаменяемы. В случае других технологий они часто означают различные вещи. Концентратор обычно расположен в центре, и к нему ведут все соединения от узлов. Концентраторы часто являются просто механическими устройствами для соединения кабелей и обеспечения их оконечной нагрузки. Вы наверняка видели телефонные стояки, являющиеся одной из форм проводного концентратора. В технологии FDDI используется термин concentrator, в Token Ring - термин MAU, а в 100VG AnyLAN и ARCNet - термин hub.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4.9. Концентратор работает подобно кабельной шине

В Ethernet и Fast Ethernet повторитель - это устройство, копирующее (повторяющее) электрические сигналы, проходящие между двумя или более устройствами. Ранние двухпортовые повторители просто соединяли два сегмента коаксиального кабеля. Концентраторы-повторители Fast Ethernet совмещают функции концентратора и повторителя. Концентратор может быть выполнен в виде отдельного блока либо платы, встраиваемой в большее шасси. Иногда он собирается из отдельных устройств, называемых наращиваемыми концентраторами (stackable hubs).

Мост (bridge)

До появления технологии коммутации проблему перегрузки сети решали путем разделения перегруженных сегментов Ethernet на два и более отдельных сегмента. Эта техника часто называется сегментированием (segmenting) или разбиением (partitioning). И хотя такое решение возможно, но на практике редко случается, чтобы единая сеть была разделена на отдельные, не связанные между собой ЛВС. Когда сегмент Ethernet разбивается, то почти всегда существует определенный вид связи между новыми сегментами. Отдельные сегменты Ethernet могут быть связаны друг с другом двумя способами: с использованием маршрутизатора или при помощи моста.

Мосты - это более простые, по сравнению с маршрутизаторами, устройства, специально спроектированные именно для связывания сегментов. В технологии Ethernet мосты стали первичными устройствами связи с первых дней ее существования. Обычно мосты являются двухпортовыми устройствами, и каждый порт присоединен к сегменту сети. Однако мосты могут иметь и более двух портов, чаще всего три или четыре. Три сегмента сети, соединенные мостом, показаны на рис. 16.

Каждый из соединенных мостами сегментов Ethernet имеет отдельную область коллизий. Тем не менее мосты работают таким обраом, что узлы различных сегментов взаимодействуют подобно тому, как если бы они находились в одной области коллизий. Иными словами, по отношению к узлу сеть с мостами ведет себя как неразделенная. Например, в сети, схема которой приведена на рис. 4.10., узел А может взаимодействовать с узлами E - H сегмента 2 точно так же, как он взаимодействует с узлами В - D собственного сегмента. Это возможно благодаря важной и определяющей характеристике моста, а именно: он является прозрачным устройством (transparent device), т.е. узлы сегментов и не подозревают о его существовании.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4.10. Схема сети с трехпортовым мостом

Мост также является устройством уровня 2, поскольку он работает с кадрами, а не с пакетами. В отличие от концентратора, который оперирует только пакетами, состоящими из потоков битов, мост получает и отправляет кадры и работает с элементами кадра, интерпретируя их.

Мосты позволяют администратору сети разбить единый сегмент Ethernet на два связанные между собой сегмента, не беспокоя пользователей и не выполняя реконфигурации или модификации узлов. Легко представить, что изменять при необходимости конфигурацию сети, незначительно или вовсе не воздействуя на пользователей, действительно удобно.

Сегментирование системы Ethernet при помощи мостов эффективно, если локальный трафик больше, а еще лучше - намного больше, чем глобальный. Из этого следует одно из важнейших неписаных сетевых правил, подобных правилу правой руки - правило 80/20. Оно гласит, что сетевая система должна быть спроектирована и реализована так, чтобы по крайней мере 80% трафика было локальным. Естественно, на долю глобального трафика остается 20%. Если правило 80/20 соблюдено, то мосты работают очень эффективно. Для соблюдения этого правила обычно достаточно разместить каждый сервер в том же сегменте, где находится его пользователь.

Мост способен фильтровать и ретранслировать сетевой трафик потому, что любой из его портов, во-первых, может работать в циркулярном режиме и, во-вторых, запоминает адреса.

Поскольку любой из портов моста работает в циркулярном режиме, то он получает все кадры, переданные присоединенным к нему сегментом. В этом состоит ключ к пониманию работы моста. Когда порт получает кадр, мост решает, что с ним следует сделать - ретранслировать или отфильтровать. Его решение основано на запоминании адресов, существующих в сегменте, который может быть присоединен к любому из портов. Подобно правилам CSMA/CD, этот процесс легко описывается алгоритмом, структурная схема которого представлена на рис. 4.11.

Часто сеть с мостами называется широковещательной областью (broadcast domain). В противоположность сети с единой областью коллизий широковещательная область - это множество узлов, принадлежащих нескольким областям коллизий и имеющих возможность обмениваться широковещательными кадрами. Так, на рис. 16 узлы (A-F), (Н-М) и (N-S) находятся в разных областях коллизий, однако принадлежат одной широковещательной области. Поскольку все узлы сети с мостами расположены в одной широковещательной области, то обычные функции ЛВС, типа открытия сервера и загрузки, работают так, как будто все узлы находятся в единственной области коллизий.

Однопунктовые кадры ретранслируются совершенно по другому. Когда на мост поступает однопунктовый кадр, то указанный в нем адрес получателя разыскивается в таблице адресов моста. В зависимости от результата поиска принимается одно из перечисленных ниже решений.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4.11. Алгоритм работы моста

1. Результат поиска

Адрес в таблице не обнаружен.

Адрес в таблице имеется, но соответствующий ему номер порта не совпадает с номером порта, принявшего кадр.

Адрес в таблице найден, а соответствующий ему номер порта совпадает с номе ром порта, принявшего кадр.

2. Решение о ретрансляции

Кадр ретранслируется во все порты, как будто он является широковещательным.

Кадр ретранслируется только в порт, номер которого указан в таблице адресов.

Кадр фильтруется. Он не ретранслируется ни в один из портов. ром порта, принявшего кадр.

Этот процесс называется решением о ретрансляции и происходит при получении любого кадра любым активным портом моста. Первое решение о ретрансляции очень важно - это одна из главных причин, по которым мост является подлинно прозрачным устройством. Вполне возможно, что узел пошлет однопунктовый кадр узлу, находящемуся в сегменте на другом порту моста до того, как последний будет обнаружен, передав свой кадр. Например, узел А может передать однопунктовый пакет узлу F до того, как мост запомнил, что F связан с портом 2. Пока мост не запомнит, где находится F, он обязан ретранслировать все пакеты, посланные узлом А узлу F, в порты 2 и 3. Обычно запоминание происходит быстро, поскольку узел F чаще всего реагирует уже на первый пакет от узла А.

Почему так происходит? На этот часто задаваемый вопрос существует простой ответ. Пока активный узел молчит, процесс старения удаляет определенные записи из таблицы адресов. Хорошим примером тому может послужить работа сетевого принтера. Если принтер, являющийся пассивным устройством, молчит в течение более продолжительного времени, чем время старения, мост забудет, где он находится. Когда возникнет необходимость что-либо напечатать, сервер печати пошлет принтеру кадр. Мост же должен будет ретранслировать этот кадр на все порты, потому что он не знает к какому именно из них принтер подключен.

Подобным образом работают все мосты. Однако у некоторых из них решения о ретрансляции принимаются на основании более сложных правил. Например, мост может ретранслировать лишь некоторые типы широковещательных кадров, а все остальные фильтровать. Многие мосты допускают ручную настройку отдельных элементов таблицы адресов, так называемых статических элементов, которые никогда не удаляются из таблицы.

Чтобы должным образом сегментировать крупную сеть, одного моста часто бывает недостаточно. Поскольку данные устройства являются подлинно прозрачными, то в одной сети их может быть несколько. Например, к представленной на рис. 4.10. сети можно добавить еще сегменты (рис. 4.12).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4.12. Схема сети с несколькими мостами

Прозрачность мостов позволяет создавать весьма сложные сети. Работа будет успешной, если сеть с мостами сконфигурирована в виде дерева. Это означает, что между любыми двумя узлами такой сети должен существовать единственный путь. Если таких путей несколько, то это не дерево. Множество путей между двумя узлами называется петлей. Наличие петель вызывает огромную путаницу и широковещательные штормы. Это может привести к трем таким нежелательным последствиям, как:

широковещательные штормы (broadcast storms);

проблемы с запоминанием;

размножение однопунктовых кадров.

Наихудшей из этих проблем является первая - широковещательные штормы. Обычно она выводит сеть из строя рис. 4.13.

Размещено на http://www.allbest.ru/