Кузьменко Н.Г. Коммутаторы и IP телефония

Подождите немного. Документ загружается.

В стандарте Ethernet допускается использование нескольких типов

кабелей: коаксиальный кабель, витая пара и оптический кабель.

Коаксиальный кабель, во время рождения Ethernet это был

единственный высокоскоростной кабель, обладающим хорошей

помехозащищённостью. Поэтому он широко использовался для построения

сетей 10 Мбит Ethernet. Существовало две разновидности – толстый и тонкий

кабель, различающиеся внешним диаметром и диаметром внутреннего

проводника. Коаксиальный кабель был достаточно жёстким и сложно

монтируемым, поэтому от его использования впоследствии отказались.

Витая пара, представляющая собой два изолированных провода

перевитых между собой и помещённых в защитную оболочку, оказалась

очень технологичной линией связи. В зависимости от электрических и

механических характеристик витая пара разделяется на 6 категорий. Для

вычислительных сетей наибольше распространение получила витая пара 3 и 5

и 6 категорий. Причём витая пара 3 категории позволяла передавить

информацию со скоростью 10Мбит/с, 5 категории – со скоростью 100 Мбит/с,

а пара 6 категории – со скоростью 250 Мбит/с. В настоящее время, витая пара

3 категории практически не выпускается. В зависимости от условий

эксплуатации, витая пара 5 и 6 категорий выпускается в большом количестве

модификаций.

Оптический (волоконно-оптический или оптоволоконный) кабель

представляет собой светопровод, окруженный другим слоем

светопроводящего материала, заключённый в защитную оболочку.

Распространяясь по светопроводу, лучи света не выходят за его пределы,

отражаясь от покрывающего слоя. В зависимости от величины диаметра

сердечника оптический кабель различают на одномодовый и многомодовый.

Одномодовый кабель (волокно) имеет диаметр сердечника 8,3 микрон и

оболочки 125 микрон. Для передачи информации используется единственная

световая волна (мода), излучаемая лазером и распространяемая вдоль

оптической оси без внутренних отражений. Одномодовый кабель позволяет

передавать информацию на расстояние до 45 км и в зависимости от

применяемого способа модуляции имеет теоретическое ограничение скорости

передачи на уровне нескольких сотен тысяч Гбит/с.

Многомодовый кабель имеет диаметр сердечника 62,5 микрон и

оболочки 125 микрон. Несколько световых волн, генерируемых светодиодом,

под разными углами отражаются от поверхности сердечника и при этом

затухают. Поэтому максимальное расстояние передачи информации

ограничено 2 км и в зависимости от применяемого способа модуляции имеет

теоретическое ограничение скорости передачи на уровне нескольких единиц

тысяч Гбит/с.

В оптоволоконной оптике используются три фиксированные длины

волн: 850, 1300 и 1550 нм. Во многомодовых системах используются только

длины волн 850 и 1300 нм, в то время как в одномодовых системах – только

дины волн 1300 и 1550 нм.

В настоящее время наибольшее распространение получили оптические

кабели и витая пара 5 и 6 категорий. Поскольку происходит методичное

снижение цены на оптический кабель и его преобразователи, то постепенно

идёт вытеснение витой пары.

1.3. Мосты

Основные недостатки сети на разделяемой среде начинают проявляться

при превышении некоторого порога количества узлов, подключенных к

разделяемой среде. Причина заключается в случайном характере метода

доступа к среде, используемом во всех технологиях Ethernet. Коэффициент

использования сети равен отношению трафика, который должна передать

сеть, к её максимальной пропускной способности и обычно измеряется в

относительных единицах или процентах. Технологии Ethernet присущ

экспоненциальный рост

величины задержек доступа

при увеличении коэффициента

использования сети (рис. 1.4).

Порог, при котором наступает

резкий перелом в поведении

сети, находится на уровне 40 –

50 % при количестве узлов

около 30.

При загрузке сети до 50

% технология Ethernet хорошо

справляется с передачей

трафика. Однако при

повышении интенсивности

трафика сеть всё больше

времени начинает проводить

неэффективно, повторно

передавая кадры, которые

вызвали коллизию. При

возрастании интенсивности

трафика, когда коэффициент

использования сети приближается к 1, вероятность столкновения кадров

настолько увеличивается, что практически любой кадр, сталкивается с

Рис. 1.4. Зависимость пропускной способности

сети от коэффициента использования

0,5 1 P

10 Мбит/с

Идеальное

поведение сети

Полезная

пропускная

способность

другими кадрами, вызывая коллизию. Сеть перестает передавать полезную

информацию и работает "на себя", обрабатывая коллизии.

Этот эффект хорошо известен на практике и исследован путём

имитационного моделирования, поэтому Ethernet не рекомендуется загружать

так, чтобы среднее значение коэффициента использования превосходило 30

%. Именно поэтому во многих системах управления сетями пороговая

граница для индикатора коэффициента загрузки сети Ethernet по умолчанию

устанавливается на величину 30 %.

С целью уменьшения количества коллизий и повышения

эффективности работы сети целесообразно разделить её на части – сегменты,

но так чтобы, внутрисегментный обмен информацией в одном сегменте не

мешал обмену в другом. Для этой цели разработчики оборудования

придумали устройство под название мост. Мосты незаметны для узлов, так

как они самостоятельно строят специальную адресную таблицу, на основании

которой решают, нужно передавать пришедший кадр в какой-либо другой

сегмент или нет.

Мост, строит свою адресную таблицу на основании пассивного

наблюдения за кадрами, циркулирующими в подключённых к его портам

сегментах. При этом мост учитывает адреса источников кадров данных,

поступающих на порты моста. По адресу источника кадра мост делает вывод

о принадлежности этого узла тому или иному сегменту сети. Рассмотрим

процесс автоматического создания адресной таблицы моста и её

использования на примере простой сети, представленной на рис. 1.5.

Рис.1.5. Принцип работы моста

Мост соединяет два логических сегмента. Сегмент 1 составляют узлы,

подключённые с помощью одного отрезка коаксиального кабеля к порту 1

моста, а сегмент 2 – узлы, подключённые с помощью другого отрезка

коаксиального кабеля к порту 2 моста.

Каждый порт моста работает, как конечный узел своего сегмента за

одним исключением – порт моста не имеет собственного адреса. Порт моста

следит за всеми пакетами, передаваемыми в присоединённых к нему

сегментах, и использует проходящие через него пакеты для изучения состава

Порт 1

Сегмент 1

Адрес Порт

Узел 1

Сегмент 2

Мост

2 Порт

Узел 2 Узел 3 Узел 4

сети. Поскольку в буфер записываются все пакеты, то адрес порта мосту не

нужен.

В исходном состоянии мост ничего не знает о том, какие узлы

подключены к каждому из его портов. Поэтому мост просто передаёт кадры с

одного порта на другой и наоборот. Кадр мост передаёт не побитно, а с

буферизацией, что разрывает логику работы всех сегментов как единой

разделяемой среды, поэтому, когда мост собирается передать кадр с сегмента

на сегмент, он заново пытается получить доступ к сегменту как конечный

узел по правилам CSMA/CD.

Одновременно с передачей кадра мост определяет адрес источника

кадра и делает новую запись о его принадлежности в своей адресной таблице,

которую также называют таблицей фильтрации или маршрутизации.

Например, получив на свой порт кадр от узла 1, мост делает первую запись в

своей адресной таблице: адрес 1 – порт 1. Если все четыре узла данной сети

проявляют активность и посылают друг другу кадры, то скоро мост построит

полную адресную таблицу сети, состоящую из 4 записей – по одной записи на

узел.

После того как мост прошёл этап обучения, он может работать более

рационально. При получении кадра, направленного, от узла 1 узла 3, он

просматривает адресную таблицу на предмет совпадения адресов с адресом

назначения 3. Поскольку такая запись есть, то мост выполняет второй этап

анализа таблицы – проверяет, находятся ли узлы с адресами источника (в

нашем случае – это адрес 1) и адресом назначения (адрес 3) в одном сегменте.

Поскольку они находятся в разных сегментах, то мост передаёт кадр на

другой порт, предварительно получив доступ к другому сегменту. Если бы

оказалось, что узлы принадлежат одному сегменту, то кадр просто был бы

удалён из буфера.

Таблица адресов может формироваться динамически, в процессе

самообучения моста, или вручную администратором сети. Динамические

записи имеют срок жизни – при создании или обновлении с ней связывается

отметка времени. Это даёт возможность автоматически реагировать на

перемещения узла из сегмента в сегмент. После включения этого узла в

работу в другом сегменте его кадры начнут попадать в буфер моста через

другой порт, и в адресной таблице появится новая запись, соответствующая

текущему состоянию сети.

Статические записи не имеют срока жизни, что даёт администратору

возможность подправлять работу моста, если

это необходимо. Кадры с

широковещательными адресами передаются

мостом на все порты.

Если после применения моста

производительность сети не достаточна, то

для повышения производительности сети

М М М М

Рис. 1.6. Вырожденная сеть

можно установить ещё один или несколько мостов, разделив сеть на

несколько сегментов. В идеале, можно создать сеть, каждый узел которой

будет подключён к своему мосту, а мосты будут соединены между собой.

Архитектура такой вырожденной сети приведена на рис. 1.6. Если шина,

соединяющая порты мостов между собой достаточно производительна, то

мосты могут осуществить независимую передачу между несколькими узлами

одновременно. В дальнейшем, производители оборудования, стали мосты с

быстродействующей магистралью выпускать в виде законченного устройства.

Такой мультимост получил название – коммутатор. Широкому применению

коммутаторов, безусловно, способствовало то обстоятельство, что внедрение

технологии коммутации не требовало замены установленного в сетях

оборудования – сетевых адаптеров, концентраторов, кабельной системы.

Порты коммутаторов работали в обычном полудуплексном режиме, поэтому

к ним прозрачно можно было подключить как конечный узел, так и

концентратор, организующий целый логический сегмент.

Удобство использования коммутатора состоит ещё и в том, что это

самообучающееся устройство и, если администратор не нагружает его

дополнительными функциями, конфигурировать его не обязательно – нужно

только правильно подключить разъёмы кабелей к портам коммутатора, а

дальше он будет работать самостоятельно и эффективно выполнять

поставленную перед ним задачу повышения производительности сети.

Поскольку все порты коммутатора представляют собой мост содержащий

процессор, то его можно нагрузить дополнительными функциями, которые

будут рассмотрены далее.

1.4. Быстрый (Fast) Ethernet

10-мегабитный Ethernet устраивал большинство пользователей на

протяжении около 15 лет. Однако в начале 90-х годов начала ощущаться его

недостаточная пропускная способность. Назрела необходимость в разработке

"нового" Ethernet, то есть технологии, которая была бы такой же эффективной

по соотношению цена/качество при производительности 100 Мбит/с. В

результате поисков и исследований специалисты разделились на два лагеря,

что в конце концов привело к появлению двух новых технологий – Fast

Ethernet и 100VG-AnyLAN. Они отличаются степенью преемственности с

"классическим" Ethernet.

В 1992 году группа производителей сетевого оборудования, включая

таких лидеров технологии Ethernet, как SynOptics , 3Com и ряд других,

образовали некоммерческое объединение Fast Ethernet Alliance для

разработки стандарта новой технологии, которая должна была в максимально

возможной степени сохранить особенности технологии Ethernet, но иметь

скорость передачи 100 Мбит/с. Новый стандарт был принят в 1995 году.

В связи с тем, что витая пара более удобна в работе и более дешёвая по

сравнению с коаксиальным кабелем, то от него решено было отказаться

вовсе. В качестве среды передачи оговаривались три типа кабеля: оптическое

волокно, витая пара 3 категории и витая пара 5 категории. Для передачи

информации по этим кабелям применяется потенциальный метод

кодирования: 4В/5В для витой пары 5 категории и оптоволокна; и 8В/6Т для

витой пары 3 категории. При идеологии общая шина применяется топология

звезда.

Кодирование по методу 4В/5В заключается в том, что каждые 4 бита

информации представляются 5 битами. Это необходимо для того, чтобы изба-

виться от длинных последовательностей нолей и повысить самосинхрониза-

цию. Но за всё надо платить, поэтому битовая скорость полезной информации

составляет не 100, а всего 80 Мбит/с. Оставшиеся 16 комбинаций разделены

на три группы:

− 4 управляющие кодовые комбинации, передаваемые попарно и служащие

признаками начала (SSD) и конца (ESD) кадра. Каждый кадр заключается

между признаками начала и конца кадра. Первый байт префикса (см. рис.

1) заменяется кодовой парой SSD, а кодовая пара Е5О добавляется в конце

кадра после поля CRC.

− специальная кодовая комбинация IDLE, которая постоянно посылается в

течение межкадровых интервалов для сохранения синхронизации между

узлами. Получение сигнала IDLE интерпретируется как сообщение о том,

что линия свободна.

− одиннадцать недействительных кодовых комбинаций, При получении

любой такой кодовой комбинации весь входящий кадр рассматривается

как ошибочный.

Для повышения производительности сети был стандартизован

полнодуплексный режим. Поскольку в этом режиме, узлы могут передавать

информацию одновременно в обоих направлениях, используя только

выделенную линию, то коллизий не существуют, что в значительной степени

упрощает протокол доступа к среде. Небольшие модификации в заголовок

пакетов были внесены для обеспечения совместимости полудуплексного и

полнодуплексного Ethernet. Полнодуплексные связи чрезвычайно выгодны

для соединения коммутаторов между собой.

Как было отмечено ранее, максимальное расстояние между узлами

определяется временем двойного оборота, в связи с тем, что скорость

передачи увеличилась в 10 раз, по сравнению с "классическим" Ethernet, то во

столько же раз уменьшился и размер сети. Для стандарта Fast Ethernet оно

составляет 200 м.

1.5. Скоростная технология Gigabit Ethernet

Достаточно быстро после появления на рынке продуктов Fast Ethernet

сетевые интеграторы и администраторы почувствовали определенные

ограничения при построении корпоративных сетей. Во многих случаях

серверы, подключенные по 100-мегабитному каналу, перегружали

магистрали сетей, работающие также на скорости 100 Мбит/с. Ощущалась

потребность в следующем более скоростном стандарте. Окончательная

версия стандарта Gigabit Ethernet была принята 1999 году.

При разработке стандарта Gigabit Ethernet перед разработчиками воз-

никло несколько проблем. Во-первых, диаметр сети уменьшался до 20 м, во-

вторых, кроме оптического кабеля хотелось бы сохранить старое кабельное

на витой паре 5 категории.

Проблема с диаметром сети была решена методом увеличения мини-

мальной длины кадра с 64 байт (без учёта префикса) до 512 байт. Если кадр

меньше минимального размера, то он увеличивается за счёт неинформативно-

го поля заполненного запрещёнными символами кода 8В/10В, которые невоз-

можно принять за коды данных, при приёме кадра они удаляется (рис. 1.7).

Рис. 1.7. Формат кадра Gigabit Ethernet

Кроме того, к спецификации передачи Ethernet CSMA/CD была добав-

лена пакетная передача кадров для Gigabit Ethernet и применён метод кодиро-

вания 8В/10В. Пакетный режим – это функция позволяющая посылать ко-

роткую последовательность кадров общей длинны 8192 байт. Интервал меж-

ду кадрами заполняется битами расширения IFG, чтобы другие узлы сети ви-

дели, что сеть занята и не пытались передавать данные пока не закончиться

пакет. Кадры в пакет могут заноситься до тех пор, пока не будет достигнута

предельная величина пакета. Если она достигнута после того, как началась

передача, узел может продолжить передачу до тех пор, пока не будет передан

весь кадр.

Проблема использования витой пары 5 категории была решена

несколько сложнее. Разработчики решили использовать все четыре витые

пары кабеля, в этом случае скорость передачи по каждой паре уменьшалась

до 250 Мбит/с. Для передачи данных был применён код PAM5,

использующий 5 уровней потенциала. Поэтому за один такт по одной паре

передается 2,322 бит информации. Следовательно, тактовая частота вместо

Длина/типPRE

520 байт

SFD

CRC

Данные

Холостые

данные

Расширение

250 МГц можно снижалась до 125 МГц. При этом, если использовать не все

коды, а передавать 8 бит за такт (по 4 парам), то выдерживается требуемая

скорость передачи в 1000 Мбит/с и ещё остается запас неиспользуемых

кодов, так как код PAM5 содержит 5

=625 комбинаций, а если передавать за

один такт по всем четырем парам 8 бит данных, то для этого требуется всего

=256 комбинаций. Оставшиеся комбинации приёмник может использовать

для контроля принимаемой информации и выделения правильных

комбинаций на фоне шума.

Рис. 1.8. Двунаправленная передача по четырём витым парам категории 5

Для распознавания коллизий и организации полнодуплексного режима

разработчики применили технику, используемую при организации

дуплексного режима на одной паре проводов в современных модемах и

аппаратуре передачи данных абонентских окончаний ISDN. Вместо передачи

по разным парам проводов или разнесения сигналов двух одновременно

работающих навстречу передатчиков по диапазону частот оба передатчика

работают навстречу друг другу по каждой из 4-х пар в одном и том же

диапазоне частот, так как используют один и тот же потенциальный код

PAM5 (рис. 1.8). Схема гибридной развязки H позволяет приёмнику и

передатчику одного и того же узла использовать одновременно витую пару и

для приёма и для передачи.

Для отделения принимаемого сигнала от своего собственного,

приёмник вычитает из результирующего сигнала известный ему свой сигнал.

250 Мбит/с

Естественно, что это не простая операция и для её выполнения используются

специальные цифровые сигнальные процессоры – DSP.

При полудуплексном режиме работы получение встречного потока дан-

ных считается коллизией, а для полнодуплексного режима работы – нормаль-

ной ситуацией. Принятый стандарт Gigabit Ethernet на неэкранированной ви-

той паре категории 5 позволяет использовать уже имеющуюся проводку и не

требует её замены на оптоволокно или витую пару категории.

1.6. Высокоскоростная технология 10Gigabit Ethernet

Деятельность по разработке стандарта 10 Gigabit Ethernet началась в

1999 году с образования небольшой исследовательской группы, которая вес-

ной 2000 года была преобразована в рабочую группу 802.3ae. В феврале того

же года её поддержали семь компаний – 3Com, Cisco, Extreme Networks, Intel,

Nortel Networks, Sun и World Wide Packets, которые учредили консорциум 10-

Gigabit Ethernet Alliance (10GEA). Новая организация поставила перед собой

двоякую цель: способствовать скорейшему принятию стандарта IEEE 802.3ae

и активно пропагандировать новую технологию среди потенциальных потре-

бителей. В настоящее время в состав 10GEA входят около 110 компаний.

В новом стандарте сохранены формат и размер кадра, и только дуплекс-

ный режим передачи. Для кодирования данных на физическом уровне выбран

метод 64B/66B вместо 8B/10B, используемого в сетях Gigabit Ethernet. Это

позволило повысить эффективность использования полосы пропускания: если

в сетях 1000Base-T для достижения информационной пропускной способно-

сти в 1 Гбит/с требовалась физическая полоса 1,25 Гбит/с, то в 10-гигабитных

сетях вполне достаточно – 10,3 Гбит/с.

Платой за возросшую эффективность являются ограниченные возмож-

ности исправления ошибок передачи. Только внедрение алгоритма упрежда-

ющей коррекции ошибок и усовершенствованных методов восстановления

сигналов позволило обеспечить надёжность сетей Ethernet на прежнем уров-

не.

Новый стандарт 10Gigabit Ethernet (первая версия которого была приня-

та в 2002 году) включает в себя семь стандартов физической среды для LAN,

MAN и WAN:

− 10GBase-CX4 – технология для коротких расстояний (до 15 метров), ис-

пользуется медный кабель CX4

− 10GBase-SR – технология для коротких расстояний (до 26 или 82 метров, в

зависимости от типа кабеля), используется многомодовое оптоволокно. Он

также поддерживает расстояния до 300 метров с использованием нового

многомодового оптоволокна (2000 МГц/км).

− 10GBase-LX4 – технология, использующая уплотнение по длине волны

для поддержки расстояний от 240 до 300 метров по многомодовому опто-

волокну. Также поддерживает расстояния до 10 километров при использо-

вании одномодового оптоволокна.

− 10GBase-LR и 10GBase-ER – эти технологии поддерживают расстояния до

10 и 40 км соответственно, при использовании одномодового оптоволокна.

− 10GBase-SW, 10GBase-LW и 10GBase-EW – эти технологии используют

физический интерфейс, совместимый по скорости и формату данных с ин-

терфейсом SONET/SDH. Они подобны стандартам 10GBase-SR, 10GBase-

LR и 10GBase-ER, так как используют те же самые типы кабелей и рассто-

яния передачи.

− 10GBase-T – технология, использующая неэкранированную витую пару.

В архитектуре 10Gigabit Ethernet физический уровень PHY разделяется

на два подуровня: зависящий от среды передачи – PMD; и кодирующий под-

уровень – PCS. Спецификации 802.3ae определяют два физических интерфей-

са: для локальных (LAN PHY) и глобальных (WAN PHY) сетей, причём вто-

рой фактически является расширением первого. Оба они используют один и

тот же подуровень PMD и, следовательно, поддерживают одинаковые длины

соединений. Отличие между интерфейсами LAN и WAN существует лишь на

уровне кодирования.

Существенной особенностью нового стандарта является способность

оборудования 10Gigabit Ethernet взаимодействовать с сетями SONET/SDH,

которая означает возможность передавать пакеты Ethernet по каналам

SONET/SDH с высокой эффективностью.

Появление стандарта Gigabit Ethernet, позволило технологию Ethernet

распространить на глобальные сети, именно для этой цели предназначен ин-

терфейс WAN PHY. Поскольку полоса пропускания интерфейсов

SONET/SDH мало отличается от полосы пропускания 10Gigabit Ethernet (9,29

и 10 Гбит/с соответственно), то разработка единого протокола MAC для двух

физических интерфейсов с близкими значениями скорости передачи не вы-

звала особых затруднений.

В то же время в целях значительного удешевления будущего оборудо-

вания 10Gigabit Ethernet члены рабочей группы 802.3 отказались от достиже-

ния полной совместимости с сетями SONET/SDH. В частности, допустимая

нестабильность задержки передачи, методы синхронизации и ряд оптических

характеристик сетей SONET/SDH не получили отражения в стандарте. 10Gig-

abit Ethernet. Массовому внедрению новой технологии пока препятствует вы-

сокая цена – не менее $3000 за порт.

1.7. Перспективы развития технологии Ethernet