Чернега В., Платтнер Б. Компьютерные сети. Учебное пособие для вузов

Подождите немного. Документ загружается.

Раздел 3. Локальные компьютерные сети

199

 100BASE-TX (2 пары категории 5);

 100BASE-TX full-duplex (2 пары категории 5);

 100BASE-T4 (4 пары категории 3).

Таблица 3.2 – Пример фрагмента таблицы кодирования 8В/6Т

8-битовые

комбинации

6-элементные

тернарные последовательности

00000000 + – 0 0 + –

00000001 0 + – + – 0

00000010 0 – + 0 – +

00000011 0 – + + 0 –

00000100 – + 0 + 0 –

00000101 + 0 – – + 0

………… …………….

11111110 – + 0 + 0 0

11111111 + 0 – + 0 0

Режим 10BASE-T имеет самый низкий приоритет при переговорном

процессе, а режим 100BASE-T4 – самый высокий. Переговорный процесс

происходит после включения питания устройства, а также может быть ини-

циирован в любой момент времени модулем управления. Для организации

переговорного процесса используются служебные сигналы проверки целост-

ности линии технологии 10BASE-T – link test pulses, если узел-партнер под-

держивает только стандарт 10BASE-T. Узлы, поддерживающие функцию ав-

товыбора, также используют существующую технологию сигналов проверки

целостности линии, при этом они посылают пакеты служебных сигналов, в

которые инкапсулирована информация переговорного процесса Auto-

negotiation. Такие пакеты носят название FLP (Fast Link Pulse burst).

Устройство, начавшее процесс автовыбора, посылает своему партнеру

пачку сигналов FLP, в которой содержится 8-битовое слово, отображающее

предлагаемый режим взаимодействия, начиная с самого приоритетного, под-

держиваемый данным узлом. Если в удаленном компьютере поддерживается

функция Auto-negotiation и его устройство связи может реализовать предло-

женный режим, то он отвечает пачкой импульсов FLP, подтверждающей

данный режим и на этом переговоры заканчиваются. Если же вызываемый

компьютер поддерживает менее приоритетный режим, то он указывает его в

ответе и этот режим выбирается в качестве рабочего. Таким образом, всегда

выбирается наиболее приоритетный общий режим функционирования рабо-

чих станций.

Компьютер, способный поддерживать только технологию 10BASE-T,

каждые 16 миллисекунд посылает импульсы для проверки целостности ли-

Компьютерные сети

200

нии, связывающей его с соседней станцией. Такой компьютер не реагирует

на запрос FLP, посылаемый ему компьютером с функцией Auto-negotiation, и

продолжает посылать свои импульсы. Станция, получившая в ответ на за-

прос FLP только импульсы проверки целостности линии, фиксирует, что его

партнер может работать только по стандарту 10BASE-T и устанавливает этот

режим работы и для себя.

Станции, выполненные по спецификации FX и TX, могут работать в

дуплексном режиме. При таком способе обмена не используется метод дос-

тупа к среде CSMA/CD, и отсутствуют коллизии, потому что каждый узел

одновременно передает и принимает кадры данных по отдельным линиям

передачи Tx и приема Rx. Полнодуплексная работа возможна только при со-

единения сетевого адаптера с коммутатором или же при непосредственном

соединении коммутаторов между собой.

3.4.3. Технология 100VG - Any LAN

Технология 100VG-Any LAN существенно отличается от классической

Ethernet. Основными отличительными признаками является следующие:

а) другой метод доступа (Demand Priority – запрос приоритета), кото-

рый обеспечивает более справедливое распределение пропускной способно-

сти сети; кроме того, он поддерживает приоритетный доступ для синхрон-

ных приложений;

б) кадры передаются не всем станциям, а только станции назначения;

в) в сети имеется выделенный арбитр доступа – концентратор;

г) поддерживаются кадры двух технологий Ethernet и Token Ring (по-

этому появилась добавка Any LAN);

д) данные передаются одновременно по четырем парам UTP кабеля 3-й

категории, по каждой паре со скоростью 25 Мбит/с;

е) для логического кодирования применяется линейный код 5В/6В,

обеспечивающий спектр линейного сигнала шириной до 16 МГц.

Сеть состоит из центрального концентратора, называемого корневым,

и соединенных с ним узлов и концентраторов (рисунок 3.24). Метод доступа

Demand Priority основан на передаче функций арбитра концентратору.

Допускаются 3 уровня каскадирования. Каждый концентратор должен

быть заранее настроен либо на работу по протоколу Ethernet, либо Token

Ring. Концентратор в паузах между передачей опрашивает порты. Рабочая

станция, желающая передать сообщение, посылает специальный сигнал, за-

прашивая передачу и указывая свой приоритет (высокий/низкий). Если сеть

свободна, концентратор разрешает передачу пакета. После анализа адреса

Раздел 3. Локальные компьютерные сети

201

концентратор отправляет пакет получателю.

Технология не приобрела особой популярности, поскольку более рас-

пространенной оказалась Fast Ethernet. Кроме того, появилась новая более

эффективная технология Gigabit Ethernet.

3.4.4. Гигабитовые технологии в сетях Ethernet

Из гигабитовых технологий первой была утверждена в 1998 году сеть

Ethernet IEEE 802.3z, получившая обозначение 1000BASE-FX. Эти сети ори-

ентированы на применение 4-х витых пар категории 5 или выше (длиной до

100 м, с разъемом RJ-45) и оптоволоконных кабелей. В сети применяется ло-

гическое кодирование типа 8В/10B, т.е. каждый байт кодируется в процессе

передачи десятью битами. При этом из 2

возможных 10-разрядных кодо-

вых комбинаций выбираются такие, в которых не содержится более 4 одина-

ковых битов подряд, и ни в одной кодовой комбинации нет более 6 нулей

или 6 единиц. Этим приемом обеспечиваются удовлетворительные условия

тактовой синхронизации и высокая стабильность постоянной составляющей

передаваемых сигналов. Кроме этого, применение такого кода исключает

перегрев лазерных диодов передатчика при поступлении от источника ин-

формации длинных последовательностей единиц.

В гигабитовой Ethernet-технологии имеется много общих признаков со

своими предшественниками 10BASE и100BASE. Прежде всего – это метод

доступа к среде передачи данных CSMA/CD, полудуплексный и полнодуп-

лексный режимы работы, а также форматы кадров Ethernet. Топология сети

имеет вид иерархической звезды. В то же время использование витой пары

Рисунок 3.24 – Компьютерная сеть 100 VG - Any LAN

Компьютерные сети

202

кабеля 5-й категории потребовало внести серьезные изменения в реализацию

физического уровня адаптера. Если отличия между Ethernet и Fast Ethernet

минимальны и не затрагивают МАС-уровня, то при разработке стандарта

Gigabit Ethernet 1000BASE-T разработчикам пришлось внести коррективы в

физический уровень, а также изменить и МАС-уровень.

Чтобы обеспечить максимальный диаметр сети размером 200 м (два

кабеля по 100 м и коммутатор), минимальная длина кадра в стандарте

Gigabit Ethernet была увеличена до 512 байт. По этой причине при недоста-

точном объеме информации сетевой адаптер дополняет поле данных до дли-

ны 448 байт запрещенными комбинациями (так называемым расширением).

В то же время увеличение минимальной длины кадра негативно сказывается

при передаче коротких служебных сообщений, например квитанций, так как

полезная информация в кадре становится существенно меньше общего коли-

чества передаваемых битов. С целью сокращения избыточности при исполь-

зовании длинных кадров для передачи коротких квитанций стандартом

Gigabit Ethernet разрешена выдача в линию нескольких кадров подряд в ре-

жиме монопольного захвата среды, т.е. без передачи линии другим станци-

ям. Такой монопольный режим захвата называется Burst Mode. В этом ре-

жиме станция может передавать подряд несколько кадров с общей длиной не

более 8192 байт (BurstLength).

В технологии 1000BASE-T применяется помехозащищенное восьми-

позиционное сверточное кодирование (на восемь различных состояний).

Символы передаются по всем четырем витым парам кабеля одновременно с

использованием пятиуровневого кодирования PAM-5 (–2; –1; 0; 1; 2) , т.е.

один единичный элемент 

отображает 2,32 бита информации. Передача ве-

дется одновременно по 4-м парам кабеля, тактовая частота при этом снижа-

ется с 250 до 125 МГц. Такое кодирование получило название четырехмер-

ного 4D/PAM-5.

Работы над стандартом 10Gigabit Ethernet начались в 2002 году. В ка-

честве среды были определены волоконно-оптические линии связи. Тогда же

комитетом IEEE 802.3 была сформирована исследовательская группа, задача

которой состояла в определении возможностей для передачи 10-гигабитного

трафика с использованием технологии Ethernet по витой паре с длиной ли-

нии до ста метров. Это приложение получило обозначение 10GBASE-T –

широкополосная передача данных со скоростью 10 Гбит/с по витой паре.

Следует отметить, что скрученные пары предлагаются в качестве дешевого

решения, при больших расстояниях между станциями оптическое волокно

остается вне конкуренции.

Основу функционирования оборудования в 10GBASE-T составляет

полнодуплексная передача по всем четырем парам кабеля 7-й категории. 10-

гигабитный поток расщепляется на четыре потока со скоростями 2,5 Гбит/с.

Раздел 3. Локальные компьютерные сети

203

В процессе передачи применяется 10-уровневая амплитудно-импульсная мо-

дуляция, при этом один передаваемый единичный элемент отображает три

бита. В итоге получается скорость передачи 833, 33 Мбод/с.

При использовании оптических линий предельные длины ВОЛС со-

ставляют 220 м или 500 м, в зависимости от вида кабеля (применяется мно-

гомодовый кабель). На одномодовом кабеле предельная длина увеличена до

5000 м.

Стандартизированы разновидности 10-гигабитовых сетей на основе

волоконно-оптических линий, в частности следующие:

 10GBASE-LR– передача на расстояние до 10 км по одномодовому во-

локну; область использования – высокопроизводительные магистраль-

ные и корпоративные каналы;

 10GBASE-ER – на дальности до 40 км по одномодовому волокну;

 10GBASE-SR – передача на расстояние до 28 м по мультимодовому

волокну, предполагается использовать для соединений коммутаторов

друг с другом;

 10GBASE-LХ4, дальность связи до 300 м по мультимодовому волокну

стандарта FDDI – для сетей в пределах одного здания.

Первый символ, стоящий после 10GBASE, обозначает длину волны, на

которой осуществляется передача по оптическому кабелю: S (Short

Wawelength) -850 нм; L (Long Wawelength) -1310 нм; E-1550 нм. Второй

символ указывает способ кодирования выходного потока: W-поток, сформи-

рованный в кадры, совместимые с глобальными сетями SDH (SONET); R-без

ориентации на глобальные сети; X-для локальных сетей.

В версии 10GBASE-X4 реализовано кодирование 8В/10B. В процессе

передачи формируется 4 потока по 3,125 Гбит/с, которые передаются по од-

ному волокну (1310 нм) с привлечением техники мультиплексирования длин

волн WWDM. В случае 10GBASE-W на уровне МАС увеличена минималь-

ная длина межкадровой паузы IPG.

В 10GBASE-LX для локальных сетей применяется логическое кодиро-

вание 64В/66B вместо 8В/10B, используемого в обычной гигабитной сети

Ethernet. Передача осуществляется параллельно четырмя потоками по воло-

конно-оптическому кабелю на различных длинах волн. Суммарная техниче-

ская скорость составляет 12,5 Гбит/с.

Сетевой адаптер 10-гигабитовой Ethernet основывается на цифровой

обработке сигналов и использовании цифровых сигнальных процессоров

(рисунок 3.25). Обработка сигналов (кодирование и декодирование, модуля-

ция и демодуляция, формирование кадров и анализ полей заголовков и др.)

осуществляется цифровым сигнальным процессором. Преобразование вход-

ных аналоговых сигналов в цифровые эквиваленты выполняет аналого–

цифровой преобразователь (АЦП). Обратное преобразование цифровых сиг-

Компьютерные сети

204

налов в аналоговые осуществляет цифро-аналоговый преобразователь

(ЦАП).

Усиление входных и выходных сигналов и их фильтрация выполняется

соответствующими усилителями и аналоговыми фильтрами. Для улучшения

условий синхронизации по тактам применяется процедура скремблирования

(и соответственно, на приемной стороне – дескремблирования), увеличи-

вающая количество изменений позиций сигналов при длительных последо-

вательностях нулей или единиц, поступающих от источника информации.

Разделение сигналов на два разнонаправленных потока осуществляется в

дифференциальном устройстве, которое содержит как собственно диффе-

ренциальную систему, так и схему эхокомпенсации. Соединение сетевого

адаптера со средой реализовано посредством интерфейса на основе соедини-

теля RJ-45.

Основной областью применения 10-гигабитовой Ethernet на данном

этапе развития является построение магистральных сетей. В этой области

они становятся серьезным конкурентом АТМ-сетей и цифровых систем пе-

редачи данных SDH.

3.4.5. Оценка производительности локальных сетей

Производительность сетей оценивается количеством кадров (пакетов),

передаваемых от компьютера источника к получателю в единицу времени.

Она зависит как от скорости передачи сигналов по линии связи, так и от ско-

рости обработки кадров в коммуникационных устройствах, передающих

кадры между своими портами. Скорость передачи по линиям в свою очередь

зависит от используемой среды передачи и типа сети: Ethernet, Token Ring

или FDDI.

Рисунок 3.25 – Структурная схема сетевого адаптера 10G BASE-T

Раздел 3. Локальные компьютерные сети

205

Для коммуникационного оборудования наиболее напряженным режи-

мом является обработка кадров минимальной длины. Это вызвано тем, что

на обработку каждого кадра мост, коммутатор или маршрутизатор выделяет

приблизительно одно и то же время, которое в основном затрачивается на

просмотр таблиц продвижения кадров, формирование новых кадров и т.п. А

при постоянной битовой скорости количество кадров, поступающих в ком-

муникационное устройство в единицу времени максимально при их мини-

мальной длине.

Если на передачу кадра по одному или нескольким сегментам сети за-

трачивается Т

пк

секунд, то производительность компьютерной сети С

кс

оп-

ределяется известным выражением

кс

= 1 / Т

пк

кадров/с.

(3.4)

Рассчитаем максимальную производительность компьютерной сети

Ethernet при отсутствии коллизий. Время, требуемое на передачу кадра ми-

нимальной длины с учетом преамбулы t

пра

, стартового разделительного бай-

та t

стрб

и межкадровой паузы t

мкп

(рис.3.7) равно:

пкЕ мин

= t

пра

+ t

стрб

к мин

мкп

8(7+1+64) / В + 9,6∙10

-6

. (3.5)

При битовой скоростив моноканале В=10 Мбит/с

пкЕ мин

576 / 10

+ 9,6∙10

-6

= (57,6 + 9,6) ∙10

-6

= 67,2 мкс.

Отсюда максимальная пропускная способность компьютерной сети Ethernet

ксЕ

при технической битовой скорости передачи 10 Мбит/с достигает вели-

чины С

ксЕ

= 1 / Т

пк мин

= 1 / (67,2 ∙10

-6

) ≈ 14 880 кадр/с.

При максимальном размере Ethernet-кадра длиной 1518 байтов время

его передачи равно Т

пк макс

= 8 (8+1518) /10

+ 9,6 ∙10

-6

= 1230,4 мкс, а пропу-

скная способность компьютерной сети в Ethernet этом случае составляет 812

кадр/с.

В связи с передачей по сети наряду с полезной и служебной информа-

ции эффективная битовая скорость передачи данных V

эф

, т.е. скорость выда-

чи данных получателю, всегда меньше технической скорости. Для кадров

минимальной длины объем полезной информации в кадре равен 46 байтам.

Эффективная битовая скорость в этом случае равна V

эфЕ

= 14880 ∙ 46 ∙ 8 =

5,476 Мбит/с, что почти в два раза ниже технической скорости, которая рав-

на 10 Мбит/с. При передаче кадров максимальной длины эффективная ско-

Компьютерные сети

206

рость приближается к технической, т.е. V

эфЕ макс

= 812 ∙ 1500 ∙ 8 = 9,74

Мбит/с.

В случае обмена кадрами среднего размера с полем пользовательских

данных 512 байтов пропускная способность сегмента составляет 2273 кадров

в секунду, а эффективная скорость - 9,3 Мбит/с. Это не намного меньше тех-

нической скорости передачи данных в среде.

Наличие коллизий в сети приводит к заметному снижению пропускной

способности сегмента. Для расчета времени передачи кадра в формулу (3.4)

добавляется время обработки коллизии, которое является случайной величи-

ной, зависящей от количества компьютеров, входящих в домен коллизий и

от активности пользователей.

Время передачи кадра минимальной длительности при возникновении

коллизии увеличивается на величину интервала ожидания, т.е.

пкк

= Т

пкЕмин

+ J∆t

ож

, (3.6)

где ∆t

ож

– минимальный интервал ожидания (см. 3.3); J –количество повто-

рений коллизий. Предположим для упрощения, что интервал ∆t

ож

постоян-

ный и равен 51,2 мкс.

Пусть после обнаружения коллизии имеется k станций, готовых к пе-

редаче, а значение вероятности передачи каждой из станций постоянно и

равно p. Тогда вероятность того, что какой то станции удастся захватить ка-

нал, определяется выражением

зк

= k p(1- p)

k-1

. (3.7)

Можно показать, что максимальная вероятность захвата канала Р

зк

бу-

дет при равных вероятностях p=(1/ k), а при больших k вероятность Р

зк

стремится к величине 1/е.

Вероятность того, что интервал борьбы за канал будет состоять ровно

из J минимальных интервалов, определяется как p(1- p)

J-1

, а среднее число

повторений J = 1/ Р

зк

= е. Тогда общая продолжительность передачи пакета

минимальной длины при возникновении коллизий Т

пкк

= Т

пкЕмин

+ 51,2 е =

67,2 + 2,7 ∙ 51,2 = 205,4 мкс. Производительность сети Ethernet снижается

при этом до величины С

ксЕк

= 1/ Т

пкк

= 4868 кадр/с, а эффективная скорость –

до 1,8 Мбит/с.

В худшем случае, когда количество коллизий, возникающих подряд,

возрастает до 10, а общий интервал ожидания увеличивается до 52,4 мс (см.

3.3), пропускная способность сети падает до 19 кадр/с, т.е. сеть практически

блокируется.

Раздел 3. Локальные компьютерные сети

207

В отличие от сетей Ethernet со случайным доступом в сетях Token Ring

гарантируется стабильность пропускной способности благодаря отсутствию

коллизий. Время передачи кадра в такой сети Т

пкТR

состоит из времени, за-

трачиваемое на передачу служебных символов t

слс

и времени передачи поль-

зовательской информации кадра t

пик

Максимальная пропускная способность сети достигает в случае, если

среда передачи не простаивает, т.е. если время передачи кадра равно време-

ни удержания кольца, величина которого регламентирована стандартом и

составляет 10 мс.

Время передачи кадра при битовой скорости 4 Мбит/с и максимальной

длине пользовательской информации в кадре равной 4500 байтов не превы-

шает интервал удержания и составляет (см. рисунок 3.17):

пкТR макс

= 8 [(1+1+1+6+6+4+1+1) + 4500] /(410

) = 9 мс.

Отсюда минимальная пропускная способность сети Token Ring соста-

вит С

ксTR мин

= 1 / Т

пкTR макс

= 1 / (9 ∙10

-3

)

≈ 111 кадр/с. Эффективная мини-

мальная битовая скорость в сети при этом практически равна номинальной:

эф

= 111 ∙ 4500 ∙ 8 = 3,99 Мбит/с.

Для сети Token Ring со скоростью передачи 16 Мбит/с и с ранним ос-

вобождением маркера минимальная пропускная способность равна

ксTR16 мин

= 1 / {[8 (21+16000)] / (1610

)}= 124,8 кадр/с.

Эффективная битовая скорость в сети в этом случае составит V

эфTR16

= 124,8 ∙

16000 ∙ 8 = 15,97 Мбит/с, что практически равно номинальной.

Из приведенных расчетов видно, то эффективность сети Token Ring-16

выше, чем Ethernet за счет более длинных кадров. Другим преимуществом

Token Ring является предсказуемость задержки в сети и независимость про-

пускной способности от активности пользователей сети, так как в ней отсут-

ствуют коллизии и обеспечивается регулярность доступа.

Однако относительно высокая стоимость сетевого оборудования Token

Ring, более поздний выход ее на рынок и появление высокоскоростной

Ethernet привело к тому, что сеть Token Ring находит ограниченное приме-

нение, преимущественно в системах управления, где предъявляются жесткие

требования к задержкам доступа к среде.

Компьютерные сети

208

3.5. Оборудование локальных сетей

Развитие корпоративных и объединенных сетей тесно связано с разра-

боткой специальных средств объединения (комплексирования) и межсетевых

протоколов. Комплексирование может осуществляться на различных уров-

нях эталонной модели ВОС. Оборудование локальных сетей различается по

занимаемому уровню эталонной модели и выполняемым функциям. В пере-

чень такого оборудования входят повторители и концентраторы, сетевые

мосты, коммутаторы, маршрутизаторы и шлюзы.

3.5.1. Повторители и концентраторы

Повторители (Repiters) объединяют сети на физическом уровне,

осуществляя согласование электрических параметров сопрягаемых сетей,

усиление и регенерацию сигналов. Эти устройства вносят задержку на один

тактовый интервал, поддерживая побитовый синхронизм входного и выход-

ного потоков. Повторители используются для сопряжения кабельных сег-

ментов как с одинаковыми, так и с различными характеристиками физиче-

ской среды. В рамках однородной физической среды повторители применя-

ются с целью увеличения диаметра сети и количества подключаемых або-

нентов.

Концентратор или хаб (англ. Hub) представляет собой многопорто-

вый Ethernet-повторитель, служащий в качестве центральной точки сети со

звездообразной технологией, в которой концентрируются (соединяются) ка-

бели рабочих станций. Как и повторитель, концентратор работает на первом,

физическом уровне эталонной модели.

3.5.2. Сетевые мосты

Мост (Bridge) - это устройство, которое обеспечивает взаимосвязь

двух (реже нескольких) локальных сетей посредством передачи кадров из

одной сети в другую, предварительно осуществляя их промежуточную бу-

феризацию. Мост, в отличие от повторителя, не поддерживает побитовый

синхронизм в обеих объединяемых сетях. Он выступает по отношению к ка-

ждой из сетей как конечный узел. Мост принимает кадр, буферизует его,

анализирует адрес назначения кадра, и только в том случае, когда адресуе-

мый узел действительно принадлежит другой сети, он передает кадр в эту

сеть.