Описание технологии Fast Ethernet. Оборудование Ethernet и Fast Ethernet Контрольная сумма кадра

Ethernet, не смотря
на весь его успех, никогда не был элегантным.
Сетевые платы имеют только рудиментарные
понятие об интеллекте. Они действительно
сначала посылают пакет, а только затем
смотрят, передавал ли данные кто-либо еще
одновременно с ними. Кто-то сравнил Ethernet с
обществом, в котором люди могут общаться
друг с другом, только когда все кричат
одновременно.

Как и его
предшественник, Fast Ethernet использует метод
передачи данных CSMACD (Carrier Sense Multiple Access with
Collision Detection - Множественный доступ к среде с
контролем несущей и обнаружением коллизий).
За этим длинным и непонятным акронимом
скрывается очень простая технология. Когда
плата Ethernet должна послать сообщение, то
сначала она ждет наступления тишины, затем
отправляет пакет и одновременно слушает, не
послал ли кто-нибудь сообщение
одновременно с ним. Если это произошло, то
оба пакета не доходят до адресата. Если
коллизии не было, а плата должна продолжать
передавать данные, она все равно ждет
несколько микросекунд, прежде чем снова
попытается послать новую порцию. Это
сделано для того, чтобы другие платы также
могли работать и никто не смог захватить
канал монопольно. В случае коллизии, оба
устройства замолкают на небольшой
промежуток времени, сгенерированный
случайным образом, а затем предпринимают
новую попытку передать данные.

Из-за коллизий ни
Ethernet, ни Fast Ethernet никогда не смогут достичь
своей максимальной производительности 10
или 100 Мбит/с. Как только начинает
увеличиваться трафик сети, временные
задержки между посылками отдельных пакетов
сокращаются, а количество коллизий
увеличивается. Реальная
производительность Ethernet не может превышать
70% его потенциальной пропускной
способности, и может еще ниже, если линия
серьезно перегружена.

Ethernet использует
размер пакета 1516 байт, который прекрасно
подходил, когда он только создавался.
Сегодня это считается недостатком, когда
Ethernet используется для взаимодействия
серверов, поскольку серверы и линии связи
имеют обыкновение обмениваться большим
количеством маленьких пакетов, что
перегружает сеть. Кроме того, Fast Ethernet
налагает ограничение на расстояние между
подключаемыми устройствами – не более 100
метров и это заставляет проявлять
дополнительную осторожность при
проектировании таких сетей.

Сначала Ethernet был
спроектирован на основе шинной топологии,
когда все устройства подключались к общему
кабелю, тонкому или толстому. Применение
витой пары лишь частично изменило протокол.
При использовании коаксиального кабеля
коллизия определялась сразу всеми
станциями. В случае с витой парой
используется "jam" сигнал, как только
станция определяет коллизию, то она
посылает сигнал концентратору, последний в
свою очередь рассылает "jam" всем
подключенным к нему устройствам.

Для того чтобы
снизить перегрузку, сети стандарта Ethernet
разбиваются на сегменты, которые
объединяются с помощью мостов и
маршрутизаторов. Это позволяет передавать
между сегментами лишь необходимый трафик.
Сообщение, передаваемое между двумя
станциями в одном сегменте, не будет
передано в другой и не сможет вызвать в нем
перегрузки.

Сегодня при
построении центральной магистрали,
объединяющей серверы используют
коммутируемый Ethernet. Ethernet-коммутаторы можно
рассматривать как высокоскоростные
многопортовые мосты, которые в состоянии
самостоятельно определить, в какой из его
портов адресован пакет. Коммутатор
просматривает заголовки пакетов и таким
образом составляет таблицу, определяющую,
где находится тот или иной абонент с таким
физическим адресом. Это позволяет
ограничить область распространения пакета
и снизить вероятность переполнения,
посылая его только в нужный порт. Только
широковещательные пакеты рассылаются по
всем портам.

100BaseT
- старший брат 10BaseT

Идея технологии
Fast Ethernet родилась в 1992 году. В августе
следующего года группа производителей
объединилась в Союз Fast Ethernet (Fast Ethernet Alliance, FEA).
Целью FEA было как можно скорее получить
формальное одобрение Fast Ethernet от комитета
802.3 Института инженеров по электротехнике и
радиоэлектронике (Institute of Electrical and Electronic
Engineers, IEEE), так как именно этот комитет
занимается стандартами для Ethernet. Удача
сопутствовала новой технологии и
поддерживающему ее альянсу: в июне 1995 года
все формальные процедуры были завершены, и
технологии Fast Ethernet присвоили наименование
802.3u.

С легкой руки IEEE
Fast Ethernet именуется 100BaseT. Объясняется это
просто: 100BaseT является расширением
стандарта 10BaseT с пропускной способностью от
10 М бит/с до 100 Мбит/с. Стандарт 100BaseT включает
в себя протокол обработки множественного
доступа с опознаванием несущей и
обнаружением конфликтов CSMA/CD (Carrier Sense Multiple
Access with Collision Detection), который используется и в
10BaseT. Кроме того, Fast Ethernet может работать на
кабелях нескольких типов, в том числе и на
витой паре. Оба эти свойства нового
стандарта весьма важны для потенциальных
покупателей, и именно благодаря им 100BaseT
оказывается удачным путем миграции сетей
на базе 10BaseT.

Главным
коммерческим аргументом в пользу 100BaseT
является то, что Fast Ethernet базируется на
наследуемой технологии. Так как в Fast Ethernet
используется тот же протокол передачи
сообщений, что и в старых версиях Ethernet, а
кабельные системы этих стандартов
совместимы, для перехода к 100BaseT от 10BaseT
требуются

меньшие
капитальные вложения, чем для установки
других видов высокоскоростных сетей. Кроме
того, поскольку 100BaseT представляет собой
продолжение старого стандарта Ethernet, все
инструментальные средства и процедуры
анализа работы сети, а также все
программное обеспечение, работающее на
старых сетях Ethernet должны в данном стандарте
сохранить работоспособность.
Следовательно, среда 100BaseT будет знакома
администраторам сетей, имеющим опыт работы
с Ethernet. А значит, обучение персонала займет
меньше времени и обойдется существенно
дешевле.

СОХРАНЕНИЕ
ПРОТОКОЛА

Пожалуй,
наибольшую практическую пользу новой
технологии принесло решение оставить
протокол передачи сообщений без изменения.
Протокол передачи сообщений, в нашем случае
CSMA/CD, определяет способ, каким данные
передаются по сети от одного узла к другому
через кабельную систему. В модели ISO/OSI
протокол CSMA/CD является частью уровня
управления доступом к среде (Media Access Control, MAC).
На этом уровне определяется формат, в
котором информация передается по сети, и
способ, каким сетевое устройство получает
доступ к сети (или управление сетью) для
передачи данных.

Название CSMA/CD
можно разбить на две части: Carrier Sense Multiple Access
и Collision Detection. Из первой части имени можно
заключить, каким образом узел с сетевым
адаптером определяет момент, когда ему
следует послать сообщение. В соответствии с
протоколом CSMA, сетевой узел вначале "слушает"
сеть, чтобы определить, не передается ли в
данный момент какое-либо другое сообщение.
Если прослушивается несущий сигнал (carrier tone),
значит в данный момент сеть занята другим
сообщением - сетевой узел переходит в режим
ожидания и пребывает в нем, пока сеть не
освободится. Когда в сети наступает
молчание, узел начинает передачу.
Фактически данные посылаются всем узлам
сети или сегмента, но принимаются лишь тем
узлом, которому они адресованы.

Collision Detection -
вторая часть имени - служит для разрешения
ситуаций, когда два или более узла пытаются
передавать сообщения одновременно.
Согласно протоколу CSMA, каждый готовый к
передаче узел должен вначале слушать сеть,
чтобы определить, свободна ли она. Однако,
если два узла слушают в одно и тоже время,
оба они решат, что сеть свободна, и начнут
передавать свои пакеты одновременно. В этой
ситуации передаваемые данные
накладываются друг на друга (сетевые
инженеры называют это конфликтом), и ни одно
из сообщений не доходит до пункта
назначения. Collision Detection требует, чтобы узел
прослушал сеть также и после передачи
пакета. Если обнаруживается конфликт, то
узел повторяет передачу через случайным
образом выбранный промежуток времени и
вновь проверяет, не произошел ли конфликт.

ТРИ ВИДА FAST ETHERNET

Наряду с
сохранением протокола CSMA/CD, другим важным
решением было спроектировать 100BaseT таким
образом, чтобы в нем можно было применять
кабели разных типов - как те, что
используются в старых версиях Ethernet, так и
более новые модели. Стандарт определяет три
модификации для обеспечения работы с
разными видами кабелей Fast Ethernet: 100BaseTX, 100BaseT4
и 100BaseFX. Модификации 100BaseTX и 100BaseT4 рассчитаны
на витую пару, а 100BaseFX был разработан для
оптического кабеля.

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.

БЕГУН
НА КОРОТКИЕ ДИСТАНЦИИ

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.

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.

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 100метров. 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.

КАК
УСТАНОВИТЬ 100BASET

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.

ОБМАНЧИВАЯ
БЫСТРОТА

Подытоживая все
вышесказанное, заметим, что, как нам кажется,
Fast Ethernet наиболее хорош для решения проблем
высоких пиковых нагрузок. Например, если
кто-то из пользователей работает с САПР или
программами обработки изображений и
нуждается в повышении пропускной
способности, то Fast Ethernet может оказаться
хорошим выходом из положения. Однако если
проблемы вызваны избыточным числом
пользователей в сети, то 100BaseT начинает
тормозить обмен информацией при примерно 50-процентной
загрузке сети - иными словами, на том же
уровне, что и 10BaseT. Но в конце концов, это
ведь не более чем расширение.

Введение

Целью создания данного доклада являлось краткое и доступное изложение основных принципов работы и особенности компьютерных сетей, на примере Fast Ethernet.

Сетью называется группа соединенных компьютеров и других устройств. Основное назначение компьютерных сетей - совместное использование ресурсов и осуществление интерактивной связи как внутри одной фирмы, так и за ее пределами. Ресурсы - это данные, приложения и периферийные устройства, такие, как внешний дисковод, принтер, мышь, модем или джойстик. Понятие интерактивной связи компьютеров подразумевает обмен сообщениями в реальном режиме времени.

Существует множество наборов стандартов передачи данных в компьютерных сетях. Одним из наборов является стандарт Fast Ethernet.

Из данного материала вы узнаете о:

• · Технологии Fast Ethernet
• · Коммутаторах
• · FTP кабеле
• · Типы соединений
• · Топологиях компьютерной сети

В своей работе, я покажу принципы работы сети, основанной на стандарте Fast Ethernet.

Коммутация локальных вычислительных сетей (ЛВС) и технологии Fast Ethernet были разработаны в ответ на потребность в повышении эффективности функционирования сетей Ethernet. Путем повышения пропускной способности эти технологии могут устранять «узкие места» в сети и поддерживать приложения, требующие большой скорости передачи данных. Привлекательность этих решений состоит в том, что вам не нужно выбирать то или другое. Они являются взаимодополняющими, так что эффективность функционирования сети чаще всего можно повысить путем использования обеих технологий.

Собранная информация будет полезен, как лицам, начинающим изучать компьютерные сети, так и сетевым администраторам.

1. Схема сети

2. Технология Fast Ethernet

компьютерный сеть fast ethernet

Fast Ethernet - результат развития технологии Ethernet. Базируясь и сохраняя в неприкосновенности тот же метод CSMA/CD (коллективный доступ с опросом канала и обнаружением коллизий), устройства Fast Ethernet работают со скоростью, в 10 раз превышающей скорость Ethernet. 100 Мбит/с. Fast Ethernet обеспечивает достаточную пропускную способность для таких приложений как системы автоматизированного проектирования и производства (CAD/CAM), графика и обработка изображений, мультимедиа. Fast Ethernet совместим с 10 Мбит/с Ethernet, так что интеграцию Fast Ethernet в вашу ЛВС удобнее осуществить с помощью коммутатора, а не маршрутизатора.

Switch(коммутатор)

С помощью коммутаторов многие рабочие группы могут быть соединены между собой для формирования большой ЛВС (см. схему 1). Недорогие коммутаторы работают лучше, чем маршрутизаторы, обеспечивая более высокую эффективность функционирования ЛВС. Рабочие группы Fast Ethernet, включающие в себя один или два концентратора, могут соединяться через коммутатор Fast Ethernet с целью дальнейшего увеличения числа пользователей, а также охвата более обширной площади.

Как пример, рассмотрим следующий коммутатор:

Рис. 1 D-Link-1228/ME

Серия коммутаторов DES-1228/ME включает в себя настраиваемые коммутаторы Fast Ethernet уровня 2 «premium» класса. Обладая расширенным функционалом, устройства DES-1228/ME являются недорогим решением по созданию безопасной и высокопроизводительной сети. Отличительными особенностями данного коммутатора являются высокая плотность портов, 4 гигабитных порта Uplink, небольшой шаг изменения настроек для управления полосой пропускания и улучшенное сетевое управление. Эти коммутаторы позволяют оптимизировать сеть как по функционалу, так и по стоимостным характеристикам. Коммутаторы серии DES-1228/ME являются оптимальным решением как по функционалу, так и по стоимостным характеристикам.

FTP кабель

Кабель LAN-5EFTP-BL состоит из 4-х пар одножильных медных проводников.

Диаметр проводника 24AWG.

Каждый проводник заключен в изоляцию HDPE (полиэтилен высокой плотности).

Два проводника, скрученных со специально подобранным шагом, составляют одну витую пару.

4 витых пары обернуты полиэтиленовой пленкой и вместе с медным одножильным заземляющим проводником заключены в общий экран из фольги и оболочку из ПВХ (PVC).

Прямой соединение (straight through)

Оно служит:

• 1. Для подключения компьютера к коммутатору (хабу, свитчу) через сетевую карту компьютера
• 2. Для подключения к коммутатору (хабу, свитчу) сетевого периферийного оборудования - принтеры, сканнеры
• 3. для UPLINK"а на выше стоящий коммутатор (хаб, свитч) - современные коммутаторы автоматически могут настраивать входы в разъеме на прием-передачу

Перекрестное соединение(crossover)

Оно служит:

• 1. Для прямого соединения 2-х компьютеров в локальную сеть, без использования коммутационного оборудования (хабы, свитчи, маршрутизаторы и прочее).
• 2. для uplink, подключения к выше стоящему коммутатору в сложной по структуре локальной сети, для старых типов коммутаторов (хабов, свитчей), у них есть отдельный разъем, так и помеченный «UPLINK» или знаком Х.

Топология звезда

Звездам - базовая топология компьютерной сети, в которой все компьютеры сети присоединены к центральному узлу (обычно коммутатор), образуя физический сегмент сети. Подобный сегмент сети может функционировать как отдельно, так и в составе сложной сетевой топологии (как правило, «дерево»). Весь обмен информацией идет исключительно через центральный компьютер, на который таким способом возлагается очень большая нагрузка, поэтому ничем другим, кроме сети, он заниматься не может. Как правило, именно центральный компьютер является самым мощным, и именно на него возлагаются все функции по управлению обменом. Никакие конфликты в сети с топологией звезда в принципе не возможны, потому что управление полностью централизовано.

Приложение

Классический 10-мегабитный Ethernet устраивал большинство пользователей на протяжении около 15 лет. Однако в начале 90-х годов начала ощущаться его недостаточная пропускная способность. Для компьютеров на процессорах Intel 80286 или 80386 с шинами ISA (8 Мбайт/с) или EISA (32 Мбайт/с) пропускная способность сегмента Ethernet составляла 1/8 или 1/32 канала «память-диск», и это хорошо согласовывалось с соотношением объемов данных, обрабатываемых локально, и данных, передаваемых по сети. Для более мощных клиентских станций с шиной PCI (133 Мбайт/с) эта доля упала до 1/133, что было явно недостаточно. Поэтому многие сегменты 10-мегабитного Ethernet стали перегруженными, реакция серверов в них значительно упала, а частота возникновения коллизий существенно возросла, еще более снижая полезную пропускную 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 l00VG-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.

Второй лагерь возглавили компании Hewlett-Packard и AT&T, которые предложили воспользоваться удобным случаем для устранения некоторых известных недостатков технологии Ethernet. Через некоторое время к этим компаниям присоединилась компания IBM, которая внесла свой вклад предложением обеспечить в новой технологии некоторую совместимость с сетями Token Ring.

В комитете 802 института IEEE в это же время была сформирована исследовательская группа для изучения технического потенциала новых высокоскоростных технологий. За период с конца 1992 года и по конец 1993 года группа IEEE изучила 100-мегабитные решения, предложенные различными производителями. Наряду с предложениями Fast Ethernet Alliance группа рассмотрела также и высокоскоростную технологию, предложенную компаниями Hewlett-Packard и AT&T.

В центре дискуссий была проблема сохранения случайного метода доступа CSMA/CD. Предложение Fast Ethernet Alliance сохраняло этот метод и тем самым обеспечивало преемственность и согласованность сетей 10 Мбит/с и 100 Мбит/с. Коалиция HP и AT&T, которая имела поддержку значительно меньшего числа производителей в сетевой индустрии, чем Fast Ethernet Alliance, предложила совершенно новый метод доступа, названный Demand Priority - приоритетный доступ по требованию. Он существенно менял картину поведения узлов в сети, поэтому не смог вписаться в технологию Ethernet и стандарт 802.3, и для его стандартизации был организован новый комитет IEEE 802.12.

Осенью 1995 года обе технологии стали стандартами IEEE. Комитет IEEE 802.3 принял спецификацию Fast Ethernet в качестве стандарта 802.3и, который не является самостоятельным стандартом, а представляет собой дополнение к существующему стандарту 802.3 в виде глав с 21 по 30. Комитет 802.12 принял технологию l00VG-AnyLAN, которая использует новый метод доступа Demand Priority и поддерживает кадры двух форматов - Ethernet и Token Ring.

v Физический уровень технологии Fast Ethernet

Все отличия технологии Fast Ethernet от Ethernet сосредоточены на физическом уровне (рис. 3.20). Уровни MAC и LLC в Fast Ethernet остались абсолютно теми же, и их описывают прежние главы стандартов 802.3 и 802.2. Поэтому рассматривая технологию Fast Ethernet, мы будем изучать только несколько вариантов ее физического уровня.

Более сложная структура физического уровня технологии Fast Ethernet вызвана тем, что в ней используются три варианта кабельных систем:

• · волоконно-оптический многомодовый кабель, используются два волокна;
• · витая пара категории 5, используются две пары;
• · витая пара категории 3, используются четыре пары.

Коаксиальный кабель, давший миру первую сеть Ethernet, в число разрешенных сред передачи данных новой технологии Fast Ethernet не попал. Это общая тенденция многих новых технологий, поскольку на небольших расстояниях витая пара категории 5 позволяет передавать данные с той же скоростью, что и коаксиальный кабель, но сеть получается более дешевой и удобной в эксплуатации. На больших расстояниях оптическое волокно обладает гораздо более широкой полосой пропускания, чем коаксиал, а стоимость сети получается ненамного выше, особенно если учесть высокие затраты на поиск и устранение неисправностей в крупной кабельной коаксиальной системе.

Отличия технологии Fast Ethernet от технологии Ethernet

Отказ от коаксиального кабеля привел к тому, что сети Fast Ethernet всегда имеют иерархическую древовидную структуру, построенную на концентраторах, как и сети l0Base-T/l0Base-F. Основным отличием конфигураций сетей Fast Ethernet является сокращение диаметра сети примерно до 200 м, что объясняется уменьшением времени передачи кадра минимальной длины в 10 раз за счет увеличения скорости передачи в 10 раз по сравнению с 10-мегабитным Ethernet.

Тем не менее это обстоятельство не очень препятствует построению крупных сетей на технологии Fast Ethernet. Дело в том, что середина 90-х годов отмечена не только широким распространением недорогих высокоскоростных технологий, но и бурным развитием локальных сетей на основе коммутаторов. При использовании коммутаторов протокол Fast Ethernet может работать в полнодуплексном режиме, в котором нет ограничений на общую длину сети, а остаются только ограничения на длину физических сегментов, соединяющих соседние устройства (адаптер - коммутатор или коммутатор - коммутатор). Поэтому при создании магистралей локальных сетей большой протяженности технология Fast Ethernet также активно, применяется, но только в полнодуплексном варианте, совместно с коммутаторами.

В данном разделе рассматривается полудуплексный вариант работы технологии Fast Ethernet, который полностью соответствует определению метода доступа, описанному в стандарте 802.3.

По сравнению с вариантами физической реализации Ethernet (а их насчитывается шесть), в Fast Ethernet отличия каждого варианта от других глубже - меняется как количество проводников, так и методы кодирования. А так как физические варианты Fast Ethernet создавались одновременно, а не эволюционно, как для сетей Ethernet, то имелась возможность детально определить те подуровни физического уровня, которые не изменяются от варианта к варианту, и те подуровни, которые специфичны для каждого варианта физической среды.

Официальный стандарт 802.3и установил три различных спецификации для физического уровня Fast Ethernet и дал им следующие названия:

Структура физического уровня Fast Ethernet

• · 100Base-TX для двухпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP категории 5 или экранированной витой паре STP Type 1;
• · 100Base-T4 для четырехпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP категории 3, 4 или 5;
• · 100Base-FX для многомодового оптоволоконного кабеля, используются два волокна.

Для всех трех стандартов справедливы следующие утверждения и характеристики.

• · Форматы кадров технологии Fast Ethernetee отличаются от форматов кадров технологий 10-мегабитного Ethernet.
• · Межкадровый интервал (IPG) равен 0,96 мкс, а битовый интервал равен 10 нс. Все временные параметры алгоритма доступа (интервал отсрочки, время передачи кадра минимальной длины и т.п.), измеренные в битовых интервалах, остались прежними, поэтому изменения в разделы стандарта, касающиеся уровня MAC, не вносились.
• · Признаком свободного состояния среды является передача по ней символа Idle соответствующего избыточного кода (а не отсутствие сигналов, как в стандартах Ethernet 10 Мбит/с). Физический уровень включает три элемента:
• o уровень согласования (reconciliation sublayer);
• o независимый от среды интерфейс (Media Independent Interface, Mil);
• o устройство физического уровня (Physical layer device, PHY).

Уровень согласования нужен для того, чтобы уровень MAC, рассчитанный на интерфейс AUI, смог работать с физическим уровнем через интерфейс МП.

Устройство физического уровня (PHY) состоит, в свою очередь, из нескольких подуровней (см. рис. 3.20):

• · подуровня логического кодирование данных, преобразующего поступающие от уровня MAC байты в символы кода 4В/5В или 8В/6Т (оба кода используются в технологии Fast Ethernet);
• · подуровней физического присоединения и подуровня зависимости от физической среды (PMD), которые обеспечивают формирование сигналов в соответствии с методом физического кодирования, например NRZI или MLT-3;
• · подуровня автопереговоров, который позволяет двум взаимодействующим портам автоматически выбрать наиболее эффективный режим работы, например, полудуплексный или полнодуплексный (этот подуровень является факультативным).

Интерфейс МП поддерживает независимый от физической среды способ обмена данными между подуровнем MAC и подуровнем PHY. Этот интерфейс аналогичен по назначению интерфейсу AUI классического Ethernet за исключением того, что интерфейс AUI располагался между подуровнем физического кодирования сигнала (для любых вариантов кабеля использовался одинаковый метод физического кодирования - манчестерский код) и подуровнем физического присоединения к среде, а интерфейс МП располагается между подуровнем MAC и подуровнями кодирования сигнала, которых в стандарте Fast Ethernet три - FX, ТХ и Т4.

Разъем МП в отличие от разъема AUI имеет 40 контактов, максимальная длина кабеля МП составляет один метр. Сигналы, передаваемые по интерфейсу МП, имеют амплитуду 5 В.

Физический уровень 100Base-FX - многомодовое оптоволокно, два волокна

Эта спецификация определяет работу протокола Fast Ethernet по многомодовому оптоволокну в полудуплексном и полнодуплексном режимах на основе хорошо проверенной схемы кодирования FDDI. Как и в стандарте FDDI, каждый узел соединяется с сетью двумя оптическими волокнами, идущими от приемника (R х) и от передатчика (Т х).

Между спецификациями l00Base-FX и l00Base-TX есть много общего, поэтому общие для двух спецификаций свойства будут даваться под обобщенным названием l00Base-FX/TX.

В то время как Ethernet со скоростью передачи 10 Мбит/с использует манчестерское кодирование для представления данных при передаче по кабелю, в стандарте Fast Ethernet определен другой метод кодирования - 4В/5В. Этот метод уже показал свою эффективность в стандарте FDDI и без изменений перенесен в спецификацию l00Base-FX/TX. При этом методе каждые 4 бита данных подуровня MAC (называемых символами) представляются 5 битами. Избыточный бит позволяет применить потенциальные коды при представлении каждого из пяти бит в виде электрических или оптических импульсов. Существование запрещенных комбинаций символов позволяет отбраковывать ошибочные символы, что повышает устойчивость работы сетей с l00Base-FX/TX.

Для отделения кадра Ethernet от символов Idle используется комбинация символов Start Delimiter (пара символов J (11000) и К (10001) кода 4В/5В, а после завершения кадра перед первым символом Idle вставляется символ Т.

Непрерывный поток данных спецификаций 100Base-FX/ТХ

После преобразования 4-битовых порций кодов MAC в 5-битовые порции физического уровня их необходимо представить в виде оптических или электрических сигналов в кабеле, соединяющем узлы сети. Спецификации l00Base-FX и l00Base-TX используют для этого различные методы физического кодирования - NRZI и MLT-3 соответственно (как и в технологии FDDI при работе через оптоволокно и витую пару).

Физический уровень 100Base-TX - витая пара DTP Cat 5 или STP Type 1, две пары

В качестве среды передачи данных спецификация l00Base-TX использует кабель UTP категории 5 или кабель STP Type 1. Максимальная длина кабеля в обоих случаях - 100 м.

Основные отличия от спецификации l00Base-FX - использование метода MLT-3 для передачи сигналов 5-битовых порций кода 4В/5В по витой паре, а также наличие функции автопереговоров (Auto-negotiation) для выбора режима работы порта. Схема автопереговоров позволяет двум соединенным физически устройствам, которые поддерживают несколько стандартов физического уровня, отличающихся битовой скоростью и количеством витых пар, выбрать наиболее выгодный режим работы. Обычно процедура автопереговоров происходит при подсоединении сетевого адаптера, который может работать на скоростях 10 и 100 Мбит/с, к концентратору или коммутатору.

Описанная ниже схема Auto-negotiation сегодня является стандартом технологии l00Base-T. До этого производители применяли различные собственные схемы автоматического определения скорости работы взаимодействующих портов, которые не были совместимы. Принятую в качестве стандарта схему Auto-negotiation предложила первоначально компания National Semiconductor под названием NWay.

Всего в настоящее время определено 5 различных режимов работы, которые могут поддерживать устройства l00Base-TX или 100Base-T4 на витых парах;

• · l0Base-T - 2 пары категории 3;
• · l0Base-T full-duplex - 2 пары категории 3;
• · l00Base-TX - 2 пары категории 5 (или Type 1ASTP);
• · 100Base-T4 - 4 пары категории 3;
• · 100Base-TX full-duplex - 2 пары категории 5 (или Type 1A STP).

Режим l0Base-T имеет самый низкий приоритет при переговорном процессе, а полнодуплексный режим 100Base-T4 - самый высокий. Переговорный процесс происходит при включении питания устройства, а также может быть инициирован в любой момент модулем управления устройства.

Устройство, начавшее процесс auto-negotiation, посылает своему партнеру пачку специальных импульсов Fast Link Pulse burst (FLP) , в котором содержится 8-битное слово, кодирующее предлагаемый режим взаимодействия, начиная с самого приоритетного, поддерживаемого данным узлом.

Если узел-партнер поддерживает функцию auto-negotuiation и также может поддерживать предложенный режим, он отвечает пачкой импульсов FLP, в которой подтверждает данный режим, и на этом переговоры заканчиваются. Если же узел-партнер может поддерживать менее приоритетный режим, то он указывает его в ответе, и этот режим выбирается в качестве рабочего. Таким образом, всегда выбирается наиболее приоритетный общий режим узлов.

Узел, который поддерживает только технологию l0Base-T, каждые 16 мс посылает манчестерские импульсы для проверки целостности линии, связывающей его с соседним узлом. Такой узел не понимает запрос FLP, который делает ему узел с функцией Auto-negotiation, и продолжает посылать свои импульсы. Узел, получивший в ответ на запрос FLP только импульсы проверки целостности линии, понимает, что его партнер может работать только по стандарту l0Base-T, и устанавливает этот режим работы и для себя.

Физический уровень 100Base-T4 - витая пара UTP Cat 3, четыре пары

Спецификация 100Base-T4 была разработана для того, чтобы можно было использовать для высокоскоростного Ethernet имеющуюся проводку на витой паре категории 3. Эта спецификация позволяет повысить общую пропускную способность за счет одновременной передачи потоков бит по всем 4 парам кабеля.

Спецификация 100Base-T4 появилась позже других спецификаций физического уровня Fast Ethernet. Разработчики этой технологии в первую очередь хотели создать физические спецификации, наиболее близкие к спецификациям l0Base-T и l0Base-F, которые работали на двух линиях передачи данных: двух парах или двух волокнах. Для реализации работы по двум витым парам пришлось перейти на более качественный кабель категории 5.

В то же время разработчики конкурирующей технологии l00VG-AnyLAN изначально сделали ставку на работу по витой паре категории 3; самое главное преимущество состояло не столько в стоимости, а в том, что она была уже проложена в подавляющем числе зданий. Поэтому после выпуска спецификаций l00Base-TX и l00Base-FX разработчики технологии Fast Ethernet реализовали свой вариант физического уровня для витой пары категории 3.

Вместо кодирования 4В/5В в этом методе используется кодирование 8В/6Т, которое обладает более узким спектром сигнала и при скорости 33 Мбит/с укладывается в полосу 16 МГц витой пары категории 3 (при кодировании 4В/5В спектр сигнала в эту полосу не укладывается). Каждые 8 бит информации уровня MAC кодируются 6-ю троичными цифрами (ternary symbols), то есть цифрами, имеющими три состояния. Каждая троичная цифра имеет длительность 40 нс. Группа из 6-ти троичных цифр затем передается на одну из трех передающих витых пар, независимо и последовательно.

Четвертая пара всегда используется для прослушивания несущей частоты в целях обнаружения коллизии. Скорость передачи данных по каждой из трех передающих пар равна 33,3 Мбит/с, поэтому общая скорость протокола 100Base-T4 составляет 100 Мбит/с. В то же время из-за принятого способа кодирования скорость изменения сигнала на каждой паре равна всего 25 Мбод, что и позволяет использовать витую пару категории 3.

На рис. 3.23 показано соединение порта MDI сетевого адаптера 100Base-T4 с портом MDI-X концентратора (приставка Х говорит о том, что у этого разъема присоединения приемника и передатчика меняются парами кабеля по сравнению с разъемом сетевого адаптера, что позволяет проще соединять пары проводов в кабеле - без перекрещивания). Пара 1 -2 всегда требуется для передачи данных от порта MDI к порту MDI-X, пара 3 -6 - для приема данных портом MDI от порта MDI-X, а пары 4 -5 и 7 -8 являются двунаправленными и используются как для приема, так и для передачи, в зависимости от потребности.

Соединение узлов по спецификации 100Base-T4

Сегодня практически невозможно обнаружить в продаже ноутбук или материнскую плату без интегрированной сетевой карты, а то и двух. Разъём у всех из них один - RJ45 (точнее, 8P8C), но скорость контроллера может отличаться на порядок. В дешёвых моделях - это 100 мегабит в секунду (Fast Ethernet), в более дорогих - 1000 (Gigabit Ethernet).

Если же в вашем компьютере встроенный LAN-контроллер отсутствует, то он, скорее всего, уже «старичок» на базе процессора типа Intel Pentium 4 или AMD Athlon XP, а также их «предков». Таких «динозавров» можно «подружить» с проводной сетью только путём установки дискретной сетевой карты с PCI-разъёмом, так как шины PCI Express во времена их появления на свет ещё не существовало. Но и для PCI-шины (33 МГц) выпускаются «сетевухи», поддерживающие наиболее актуальный стандарт Gigabit Ethernet, хотя её пропускной способности может быть недостаточно для полного раскрытия скоростного потенциала гигабитного контроллера.

Но даже в случае наличия 100-мегабитной интегрированной сетевой карты дискретный адаптер придётся приобрести тем, кто собирается «проапгрейдиться» до 1000 мегабит. Лучшим вариантом станет покупка PCI Express-контроллера, который обеспечит максимальную скорость работы сети, если, конечно, соответствующий разъём в компьютере присутствует. Правда, многие отдадут предпочтение PCI-карточке, так как они значительно дешевле (стоимость начинается буквально от 200 рублей).

Какие же преимущества даст на практике переход с Fast Ethernet на Gigabit Ethernet? Насколько отличается реальная скорость передачи данных PCI-версий сетевых карт и PCI Express? Хватит ли скорости обычного жёсткого диска для полной загрузки гигабитного канала? Ответы на эти вопросы вы найдёте в данном материале.

Участники тестирования

Для тестирования были выбраны три наиболее дешёвые дискретные сетевые карты (PCI - Fast Ethernet, PCI - Gigabit Ethernet, PCI Express - Gigabit Ethernet), так как они пользуются наибольшим спросом.

100-мегабитная сетевая PCI-карта представлена моделью Acorp L-100S (цена начинается от 110 рублей), в которой используется наиболее популярный для дешёвых карточек чипсет Realtek RTL8139D.

1000-мегабитная сетевая PCI-карта представлена моделью Acorp L-1000S (цена начинается от 210 рублей), которая основана на чипе Realtek RTL8169SC. Это единственная карта с радиатором на чипсете - остальным участникам тестирования дополнительное охлаждение не требуется.

1000-мегабитная сетевая PCI Express-карта представлена моделью TP-LINK TG-3468 (цена начинается от 340 рублей). И она не стала исключением - в её основе лежит чипсет RTL8168B, который тоже произведён компанией Realtek.

Внешний вид сетевой карты

Чипсеты из этих семейств (RTL8139, RTL816X) можно увидеть не только на дискретных сетевых картах, но и интегрированными на многие материнские платы.

Характеристики всех трёх контроллеров приведены в следующей таблице:

Показать таблицу

Модель	Чипсет	Скорость передачи данных	Шина	Сетевой интерфейс	Разъёмы	Поддержка Jumbo Frame	Поддержка Wake-on-LAN	Дуплекс
Acorp L-100S	Realtek RTL8139D	10 / 100 Мбит/с	PCI 2.3 (32 бита)	10Base-T, 100Base-TX	RJ45 (8P8C)	Есть	Есть	Full
Acorp L-1000S	Realtek RTL8169SC	10 / 100 / 1000 Мбит/с	PCI 2.3 (32 бита)		RJ45 (8P8C)	Есть	Есть	Full
	Realtek RTL8168B	10 / 100 / 1000 Мбит/с	PCI Express 1.0a	10Base-T, 100Base-TX, 1000Base-T	RJ45 (8P8C)	Есть	Есть	Full

Пропускной способности PCI-шины (1066 Мбит/с) теоретически должно быть достаточно для «раскачки» гигабитных сетевых карт до полной скорости, но на практике её может всё-таки не хватить. Дело в том, что этот «канал» между собой делят все PCI-устройства; кроме того, по нему передаётся служебная информация по обслуживанию самой шины. Посмотрим, подтвердится ли это предположение при реальном измерении скорости.

Ещё один нюанс: подавляющее большинство современных жёстких дисков имеют среднюю скорость чтения не более 100 мегабайт в секунду, а часто и ещё меньше. Соответственно, они не смогут обеспечить полную загрузку гигабитного канала сетевой карты, скорость которого составляет 125 мегабайт в секунду (1000: 8 = 125). Обойти это ограничение можно двумя способами. Первый - это объёдинить пару таких жёстких дисков в RAID-массив (RAID 0, striping), при этом скорость может увеличиться практически в два раза. Второй - использовать SSD-накопители, скоростные параметры которых заметно превышают таковые у жёстких дисков.

Тестирование

В качестве сервера использовался компьютер со следующей конфигурацией:

• процессор: AMD Phenom II X4 955 3200 МГц (четырёхъядерный);
• материнская плата: ASRock A770DE AM2+ (чипсет AMD 770 + AMD SB700);
• оперативная память: Hynix DDR2 4 x 2048 Гб PC2 8500 1066 МГц (в двухканальном режиме);
• видеокарта: AMD Radeon HD 4890 1024 Мб DDR5 PCI Express 2.0;
• сетевая карта: Realtek RTL8111DL 1000 Мбит/с (интегрирована на материнскую плату);
• операционная система: Microsoft Windows 7 Home Premium SP1 (64-битная версия).

В качестве клиента, в который устанавливались тестируемые сетевые карты, использовался компьютер со следующей конфигурацией:

• процессор: AMD Athlon 7850 2800 МГц (двухъядерный);
• материнская плата: MSI K9A2GM V2 (MS-7302, чипсет AMD RS780 + AMD SB700);
• оперативная память: Hynix DDR2 2 x 2048 Гб PC2 8500 1066 МГц (в двухканальном режиме);
• видеокарта: AMD Radeon HD 3100 256 Мб (интегрирована в чипсет);
• жёсткий диск: Seagate 7200.10 160 Гб SATA2;
• операционная система: Microsoft Windows XP Home SP3 (32-битная версия).

Тестирование производилось в двух режимах: чтение и запись через сетевое подключение с жёстких дисков (это должно показать, что они могут являться «бутылочным горлышком»), а также с RAM-дисков в оперативной памяти компьютеров, имитирующих быстрые SSD-накопители. Сетевые карты соединялись напрямую при помощи трёхметрового патч-корда (восьмижильная витая пара, категория 5e).

Скорость передачи данных (жёсткий диск - жёсткий диск, Мбит/с)

Реальная скорость передачи данных через 100-мегабитную сетевую карту Acorp L-100S совсем немного не дотянула до теоретического максимума. А вот обе гигабитные карты хоть и обогнали первую примерно в шесть раз, но максимально возможную скорость показать не сумели. Прекрасно видно, что скорость «упёрлась» в производительность жёстких дисков Seagate 7200.10, которая при непосредственном тестировании на компьютере в среднем составляет 79 мегабайт в секунду (632 Мбит/с).

Принципиальной разницы в скорости между сетевыми картами для шины PCI (Acorp L-1000S) и PCI Express (TP-LINK ) в данном случае не наблюдается, незначительное преимущество последней вполне можно объяснить погрешностью измерений. Оба контроллера работали примерно на шестьдесят процентов от своих возможностей.

Скорость передачи данных (RAM-диск - RAM-диск, Мбит/с)

Acorp L-100S ожидаемо показала такую же низкую скорость и при копировании данных из высокоскоростных RAM-дисков. Оно и понятно - стандарт Fast Ethernet уже давно не соответствует современным реалиям. По сравнению с режимом тестирования «жёсткий диск - жёсткий диск» гигабитная PCI-карта Acorp L-1000S заметно прибавила в производительности - преимущество составило примерно 36 процентов. Ещё более впечатляющий отрыв продемонстрировала сетевая карта TP-LINK TG-3468 - прирост составил около 55 процентов.

Вот тут и проявилась более высокая пропускная способность шины PCI Express - обошла Acorp L-1000S на 14 процентов, что уже не спишешь на погрешность. Победитель немного не дотянул до теоретического максимума, но и скорость в 916 мегабит в секунду (114,5 Мб/с) всё равно выглядит впечатляюще - это означает, что ожидать окончания копирования придётся практически на порядок меньше (по сравнению с Fast Ethernet). К примеру, время копирования файла размером 25 Гб (типичный HD-рип с хорошим качеством) с компьютера на компьютер составит менее четырёх минут, а с адаптером предыдущего поколения - более получаса.

Тестирование показало, что сетевые карты стандарта Gigabit Ethernet имеют просто огромное преимущество (вплоть до десятикратного) над контроллерами Fast Ethernet. Если в ваших компьютерах установлены только жёсткие диски, не объединённые в striping-массив (RAID 0), то принципиальной разницы по скорости между PCI- и PCI Express-картами не будет. В противном случае, а также при использовании производительных SSD-накопителей предпочтение следует отдать картам с интерфейсом PCI Express, которые обеспечат максимально возможную скорость передачи данных.

Естественно, следует учитывать, что и остальные устройства в сетевом «тракте» (свитч, роутер...) должны поддерживать стандарт Gigabit Ethernet, а категория витой пары (патч-корда) должна быть не ниже 5e. Иначе реальная скорость так и останется на уровне 100 мегабит в секунду. К слову, обратная совместимость со стандартом Fast Ethernet сохраняется: к гигабитной сети можно подключить, например, ноутбук со 100-мегабитной сетевой картой, на скорости прочих компьютеров в сети это никак не скажется.

В тестовой лаборатории «КомпьютерПресс» было проведено тестирование предназначенных для использования в рабочих станциях 10/100 Mбит/с сетевых карт стандарта Fast Ethernet для шины PCI. Были выбраны наиболее распространенные в настоящее время карты с пропускной способностью 10/100 Mбит/с, так как, во-первых, они могут использоваться в сетях Ethernet, Fast Ethernet и в смешанных сетях, и, во-вторых, перспективная технология Gigabit Ethernet (пропускная способность до 1000 Мбит/с) пока применяется чаще всего для подключения мощных серверов к сетевому оборудованию ядра сети. Чрезвычайно важно то, какого качества пассивное сетевое оборудование (кабели, розетки и т.п.) используется в сети. Хорошо известно, что если для сетей Ethernet достаточно кабеля на витой паре категории 3, то уже для Fast Ethernet необходима 5 категория. Рассеивание сигнала, плохая защищенность от шумов могут существенно понизить пропускную способность сети.

Целью тестирования являлось определение в первую очередь индекса эффективной производительности (Performance/Efficiency Index Ratio - в дальнейшем P/E-индекс), и только затем - абсолютного значения пропускной способности. P/E-индекс вычисляется как отношение пропускной способности сетевой карты в Мбит/c к степени загруженности центрального процессора в процентах. Этот индекс является отраслевым стандартом определения производительности сетевых адаптеров. Он был введен для того, чтобы учесть использование сетевыми картами ресурсов центрального процессора. Дело в том, что некоторые производители сетевых адаптеров стараются добиться максимальной производительности путем использования для выполнения сетевых операций большего числа циклов процессора компьютера. Минимальная загрузка процессора и относительно высокая пропускная способность имеют большое значение для выполнения критически важных бизнес- и мультимедиа-приложений, а также задач реального времени.

Были протестированы карты, которые в настоящее время чаще других используются для рабочих станций в корпоративных и локальных сетях:

1. D-Link DFE-538TX
2. SMC EtherPower II 10/100 9432TX/MP
3. 3Com Fast EtherLink XL 3C905B-TX-NM
4. Compex RL 100ATX
5. Intel EtherExpress PRO/100+ Management
6. CNet PRO-120
7. NetGear FA 310TX
8. Allied Telesyn AT 2500TX
9. Surecom EP-320X-R

Основные характеристики тестируемых сетевых адаптеров приведены в табл. 1 . Поясним некоторые термины, которые использованы в таблице. Автоматическое определение скорости соединения означает, что адаптер сам определяет максимально возможную скорость функционирования. Кроме того, в случае поддержки автоопределения скорости никакой дополнительной настройки при переходе от Ethernet к Fast Ethernet и обратно производить не нужно. То есть от системного администратора не требуется реконфигурировать адаптер и перегружать драйверы.

Поддержка режима Bus Master позволяет передавать данные непосредственно между сетевой картой и памятью компьютера. Тем самым центральный процессор высвобождается для выполнения других операций. Это свойство стало стандартом де-факто. Недаром все известные сетевые карты поддерживают режим Bus Master.

Дистанционное включение (Wake on LAN) позволяет производить включение ПК по сети. То есть возникает возможность обслуживать ПК в нерабочее время. Для этой цели используются трехконтактные разъемы на системной плате и сетевом адаптере, которые соединяются специальным кабелем (входит в комплект поставки). Кроме того, необходимо специальное управляющее ПО. Технология Wake on LAN разработана альянсом Intel-IBM.

Полнодуплексный режим позволяет передавать данные одновременно в обоих направлениях, полудуплексный - только в одном. Таким образом, максимально возможная пропускная способность в полнодуплексном режиме составляет 200 Мбит/с.

Интерфейс DMI (Desktop Management Interface) дает возможность получать информацию о конфигурации и ресурсах ПК с помощью ПО сетевого управления.

Поддержка спецификации WfM (Wired for Management) обеспечивает взаимодействие сетевого адаптера с программными средствами сетевого управления и администрирования.

Для удаленной загрузки ОС компьютера по сети сетевые адаптеры снабжаются специальной памятью BootROM. Это позволяет эффективно использовать в сети бездисковые рабочие станции. В большинстве тестируемых карт присутствовало только гнездо для установки BootROM; сама микросхема BootROM обычно является отдельно заказываемой опцией.

Поддержка ACPI (Advanced Configuration Power Interface) позволяет снизить энергопотребление. ACPI - это новая технология, обеспечивающая работу системы управления питанием. Она базируется на использовании как аппаратных, так и программных средств. В принципе, Wake on LAN является составной частью ACPI.

Фирменные средства повышения производительности позволяют увеличить эффективность работы сетевой карты. Наиболее известные из них - Parallel Tasking II компании 3Com и Adaptive Technology компании Intel. Эти средства обычно бывают запатентованы.

Поддержка основных операционных систем обеспечивается практически всеми адаптерами. К основным ОС относятся: Windows, Windows NT, NetWare, Linux, SCO UNIX, LAN Manager и другие.

Уровень сервисной поддержки оценивается наличием документации, дискеты с драйверами и возможностью скачать последние версии драйверов с сайта компании. Не последнюю роль играет и упаковка. С этой точки зрения, лучшими, на наш взгляд, являются сетевые адаптеры D-Link, Allied Telesyn и Surecom. Но в целом уровень поддержки оказался для всех карт удовлетворительным.

Обычно гарантия распространяется на все время эксплуатации сетевого адаптера (пожизненная гарантия). Иногда она ограничивается 1-3 годами.

Методика тестирования

Во всех тестах использовались самые последние версии драйверов сетевых карт, которые загружались с Internet-серверов соответствующих производителей. В случае когда драйвер сетевой карты допускал какие-либо настройки и оптимизацию, использовались установки по умолчанию (кроме сетевого адаптера Intel). Отметим, что наиболее богатыми дополнительными возможностями и функциями обладают карты и соответствующие драйверы компаний 3Com и Intel.

Измерение производительности производилось при помощи утилиты Perform3 компании Novell. Принцип действия утилиты заключается в том, что файл небольшого размера переписывается с рабочей станции на разделяемый сетевой диск сервера, после чего он остается в файловом кэше сервера и в течение заданного промежутка времени многократно оттуда считывается. Это позволяет достичь взаимодействия типа память-сеть-память и устранить влияние задержек, связанных с дисковыми операциями. В число параметров утилиты входят начальный размер файла, конечный размер файла, шаг изменения размера и время тестирования. Утилита Novell Perform3 выводит значения производительности с файлами разного размера, среднюю и максимальную производительность (в Кбайт/c). Для настройки утилиты использовались следующие параметры:

• Начальный размер файла - 4095 байт
• Конечный размер файла - 65 535 байт
• Шаг приращения файла - 8192 байт

Время тестирования с каждым файлом было установлено равным двадцати секундам.

В каждом эксперименте использовалась пара одинаковых сетевых карт, одна из которых работала на сервере, а другая - на рабочей станции. Кажется, что это не соответствует распространенной практике, поскольку в серверах обычно используются специализированные сетевые адаптеры, снабженные рядом дополнительных функций. Но именно таким образом - одни и те же сетевые карты устанавливаются и на сервере и на рабочих станциях - проводится тестирование всеми известными тестовыми лабораториями мира (KeyLabs, Tolly Group и т.д.). Результаты получаются несколько ниже, но эксперимент оказывается чистым, поскольку на всех компьютерах работают только анализируемые сетевые карты.

Конфигурация клиента Compaq DeskPro EN:

• процессор Pentium II 450 MГц
• кэш 512 Kбайт
• оперативная память 128 Mбайт
• винчестер 10 Гбайт
• операционная система Microsoft Windows NT Server 4.0 c 6 a SP
• протокол TCP/IP.

Конфигурация сервера Compaq DeskPro EP:

• процессор Celeron 400 MГц
• оперативная память 64 Mбайт
• винчестер 4,3 Гбайт
• операционная система Microsoft Windows NT Workstation 4.0 c c 6 a SP
• протокол TCP/IP.

Тестирование было проведено в условиях, когда компьютеры соединялись напрямую кроссоверным кабелем UTP Category 5. Во время этих тестов карты работали в режиме 100Base-TX Full Duplex. В этом режиме пропускная способность оказывается несколько выше за счет того, что часть служебной информации (например, подтверждение приема) передается одновременно с полезной информацией, объем которой оценивается. В этих условиях удалось зафиксировать довольно высокие значения пропускной способности; например, для адаптера 3Com Fast EtherLink XL 3C905B-TX-NM в среднем 79,23 Mбит/с.

Загруженность процессора измерялась на сервере при помощи утилиты Windows NT Performance Monitor; данные записывались в log-файл. Утилита Perform3 запускалась на клиенте, чтобы не влиять на загруженность процессора сервера. В качестве процессора компьютера-сервера использовался Intel Celeron, производительность которого существенно ниже производительности процессоров Pentium II и III. Intel Celeron использовался умышленно: дело в том, что, поскольку загрузка процессора определяется с достаточно большой абсолютной погрешностью, в случае больших абсолютных значений относительная погрешность оказывается меньше.

После каждого теста утилита Perform3 помещает результаты своей работы в текстовый файл в виде набора данных следующего вида:

65535 bytes. 10491.49 KBps. 10491.49 Aggregate KBps. 57343 bytes. 10844.03 KBps. 10844.03 Aggregate KBps. 49151 bytes. 10737.95 KBps. 10737.95 Aggregate KBps. 40959 bytes. 10603.04 KBps. 10603.04 Aggregate KBps. 32767 bytes. 10497.73 KBps. 10497.73 Aggregate KBps. 24575 bytes. 10220.29 KBps. 10220.29 Aggregate KBps. 16383 bytes. 9573.00 KBps. 9573.00 Aggregate KBps. 8191 bytes. 8195.50 KBps. 8195.50 Aggregate KBps. 10844.03 Maximum KBps. 10145.38 Average KBp.

Выводится размер файла, соответствующая пропускная способность для выбранного клиента и для всех клиентов (в данном случае клиент всего один), а также максимальная и средняя пропускная способность по всему тесту. Полученные средние значения по каждому тесту переводились из Кбайт/c в Мбит/c по формуле:
(Кбайт x 8)/1024,
и значение индекса P/E вычислялось как отношение пропускной способности к загруженности процессора в процентах. В дальнейшем среднее значение индекса P/E вычислялось по результатам трех измерений.

С использованием утилиты Perform3 на Windows NT Workstation возникла следующая проблема: кроме записи на сетевой диск, файл записывался также в локальный файловый кэш, откуда впоследствии очень быстро считывался. Результаты были впечатляющими, но нереальными, поскольку передачи данных как таковой по сети не производилось. Для того чтобы приложения могли воспринимать разделяемые сетевые диски как обычные локальные диски, в операционной системе используется специальный сетевой компонент - редиректор, перенаправляющий запросы ввода-вывода по сети. В обычных условиях работы при выполнении процедуры записи файла на разделяемый сетевой диск редиректор использует алгоритм кэширования Windows NT. Именно поэтому при записи на сервер происходит также запись в локальный файловый кэш клиентской машины. А для проведения тестирования необходимо, чтобы кэширование проводилось только на сервере. Для того чтобы на компьютере-клиенте кэширования не было, в реестре Windows NT были изменены значения параметров, что позволило отключить кэширование, производимое редиректором. Вот как это было сделано:

1. Путь в Registry:

   HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\CurrentControlSet\Services\Rdr\Parameters

   Имя параметра:

   UseWriteBehind разрешает оптимизацию write-behind для записываемых файлов

   Тип: REG_DWORD

   Значение: 0 (по умолчанию: 1)

2. Путь в Registry:

   HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\CurrentControlSet\Services\Lanmanworkstation\parameters

   Имя параметра:

   UtilizeNTCaching указывает, будет ли редиректор использовать кэш-менеджер Windows NT для кэширования содержимого файлов.

   Тип: REG_DWORD Значение: 0 (по умолчанию: 1)

Сетевой адаптер Intel EtherExpress PRO/100+Management

Пропускная способность этой карты и уровень использования процессора оказались практически такими же, как и у 3Com. Ниже показаны окна настройки параметров этой карты.

Новый контроллер Intel 82559, установленный на этой карте, обеспечивает очень высокую производительность, особенно в сетях Fast Ethernet.

Технология, которую использует Intel в своей карте Intel EtherExpress PRO/100+, названа Adaptive Technology. Сущность метода заключается в автоматическом изменении временных промежутков между пакетами Ethernet в зависимости от загруженности сети. При увеличении загруженности сети расстояние между отдельными пакетами Ethernet динамически увеличивается, что позволяет уменьшить количество коллизий и повысить пропускную способность. При небольшой сетевой загрузке, когда вероятность коллизий мала, временные промежутки между пакетами снижаются, что также ведет к увеличению производительности. В наибольшей степени преимущества этого метода должны проявляться в больших коллизионных сегментах Ethernet, то есть в тех случаях, когда в топологии сети преобладают концентраторы, а не коммутаторы.

Новая технология Intel, названная Priority Packet, позволяет регулировать трафик, проходящий через сетевую карту, в соответствии с приоритетами отдельных пакетов. Это дает возможность повышать скорость передачи данных для критически важных приложений.

Обеспечивается поддержка виртуальных локальных сетей VLAN (стандарт IEEE 802.1Q).

На плате всего два индикатора - работа/соединение, скорость 100.

www.intel.com

Сетевой адаптер SMC EtherPower II 10/100 SMC9432TX/MP

В архитектуре этой карты использованы две перспективные технологии SMC SimulTasking и Programmable InterPacket Gap. Первая технология похожа на технологию 3Com Parallel Tasking. Сопоставив результаты тестирования для карт этих двух производителей, можно сделать вывод о степени эффективности реализации этих технологий. Отметим также, что данная сетевая карта показала третий результат и по производительности и по индексу P/E, опередив все карты, кроме 3Com и Intel.

На карте четыре светодиодных индикатора: скорость 100, передача, соединение, дуплекс.

Адрес основного Web-узла компании: www.smc.com

Fast Ethernet – спецификация IEЕЕ 802.3 u официально принятая 26 октября 1995 года определяет стандарт протокола канального уровня для сетей работающих при использовании как медного, так и волоконно-оптического кабеля со скоростью 100Мб/с. Новая спецификация является наследницей стандарта Ethernet IEЕЕ 802.3, используя такой же формат кадра, механизм доступа к среде CSMA/CD и топологию звезда. Эволюция коснулась нескольких элементов конфигурации средств физического уровня, что позволило увеличить пропускную способность, включая типы применяемого кабеля, длину сегментов и количество концентраторов.

Физический уровень

Стандарт Fast Ethernet определяет три типа среды передачи сигналов Ethernet со скоростью 100 Мбит/с.

· 100Base-TX - две витые пары проводов. Передача осуществляется в соответствии со стандартом передачи данных в витой физической среде, разработанным ANSI (American National Standards Institute - Американский национальный институт стандартов). Витой кабель для передачи данных может быть экранированным, либо неэкранированным. Использует алгоритм кодирования данных 4В/5В и метод физического кодирования MLT-3.

· 100Base-FX - две жилы, волоконно-оптического кабеля. Передача также осуществляется в соответствии со стандартом передачи данных в волоконно-оптической среде, которой разработан ANSI. Использует алгоритм кодирования данных 4В/5В и метод физического кодирования NRZI.

· 100Base-T4 - это особая спецификация, разработанная комитетом IEEE 802.3u . Согласно этой спецификации, передача данных осуществляется по четырем витым парам телефонного кабеля, который называют кабелем UTP категории 3. Использует алгоритм кодирования данных 8В/6Т и метод физического кодирования NRZI.

Многомодовый кабель

В волоконно-оптическом кабеле этого типа используется волокно с сердцевиной диаметром 50, либо 62,5 микрометра и внешней оболочкой толщиной 125 микрометров. Такой кабель называется многомодовым оптическим кабелем с волокнами 50/125 (62,5/125) микрометров. Для передачи светового сигнала по многомодовому кабелю применяется светодиодный приемопередатчик с длиной волны 850 (820) нанометров. Если многомодовый кабель соединяет два порта переключателей, работающих в полнодуплексном режиме, то он может иметь длину до 2000 метров.

Одномодовый кабель

Одномодовый волоконно-оптический кабель имеет меньший, чем у многомодового, диаметр сердцевины - 10 микрометра, и для передачи по одномодовому кабелю используется лазерный приемопередатчик, что в совокупности обеспечивает эффективную передачу на большие дистанции. Длина волны передаваемого светового сигнала близка к диаметру сердцевины, который равен 1300 нанометрам. Это число известно как длина волны нулевой дисперсии. В одномодовом кабеле дисперсия и потери сигнала очень незначительны, что позволяет передавать световые сигналы на большие расстояния, нежели в случае применения многомодового волокна.

38. Технология Gigabit Ethernet, общая характеристика, спецификация физической среды, основные понятия.
3.7.1. Общая характеристика стандарта

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 - магистрали FDDI и Fast Ethernet. Ощущалась потребность в следующем уровне иерархии скоростей. В 1995 году более высокий уровень скорости могли предоставить только коммутаторы ATM, а при отсутствии в то время удобных средств миграции этой технологии в локальные сети (хотя спецификация LAN Emulation - LANE была принята в начале 1995 года, практическая ее реализация была впереди) внедрять их в локальную сеть почти никто не решался. Кроме того, технология ATM отличалась очень высоким уровнем стоимости.

Поэтому логичным выглядел следующий шаг, сделанный IEEE, - через 5 месяцев после окончательного принятия стандарта Fast Ethernet в июне 1995 года исследовательской группе по изучению высокоскоростных технологий IEEE было предписано заняться рассмотрением возможности выработки стандарта Ethernet с еще более высокой битовой скоростью.

Летом 1996 года было объявлено о создании группы 802.3z для разработки протокола, максимально подобного Ethernet, но с битовой скоростью 1000 Мбит/с. Как и в случае Fast Ethernet, сообщение было воспринято сторонниками Ethernet с большим энтузиазмом.

Основной причиной энтузиазма была перспектива такого же плавного перевода магистралей сетей на Gigabit Ethernet, подобно тому, как были переведены на Fast Ethernet перегруженные сегменты Ethernet, расположенные на нижних уровнях иерархии сети. К тому же опыт передачи данных на гигабитных скоростях уже имелся, как в территориальных сетях (технология SDH), так и в локальных - технология Fibre Channel, которая используется в основном для подключения высокоскоростной периферии к большим компьютерам и передает данные по волоконно-оптическому кабелю со скоростью, близкой к гигабитной, посредством избыточного кода 8В/10В.

Первая версия стандарта была рассмотрена в январе 1997 года, а окончательно стандарт 802.3z был принят 29 июня 1998 года на заседании комитета IEEE 802.3. Работы по реализации Gigabit Ethernet на витой паре категории 5 были переданы специальному комитету 802.3аb, который уже рассмотрел несколько вариантов проекта этого стандарта, причем с июля 1998 года проект приобрел достаточно стабильный характер. Окончательное принятие стандарта 802.3ab ожидается в сентябре 1999 года.

Не дожидаясь принятия стандарта, некоторые компании выпустили первое оборудование Gigabit Ethernet на оптоволоконном кабеле уже к лету 1997 года.

Основная идея разработчиков стандарта Gigabit Ethernet состоит в максимальном сохранении идей классической технологии Ethernet при достижении битовой скорости в 1000 Мбит/с.

Так как при разработке новой технологии естественно ожидать некоторых технических новинок, идущих в общем русле развития сетевых технологий, то важно отметить, что Gigabit Ethernet, так же как и его менее скоростные собратья, на уровне протокола не будет поддерживать:

• качество обслуживания;
• избыточные связи;
• тестирование работоспособности узлов и оборудования (в последнем случае - за исключением тестирования связи порт - порт, как это делается для Ethernet 10Base-T и 10Base-F и Fast Ethernet).

Все три названных свойства считаются весьма перспективными и полезными в современных сетях, а особенно в сетях ближайшего будущего. Почему же авторы Gigabit Ethernet отказываются от них?

Главная идея разработчиков технологии Gigabit Ethernet состоит в том, что существует и будет существовать весьма много сетей, в которых высокая скорость магистрали и возможность назначения пакетам приоритетов в коммутаторах будут вполне достаточны для обеспечения качества транспортного обслуживания всех клиентов сети. И только в тех редких случаях, когда и магистраль достаточно загружена, и требования к качеству обслуживания очень жесткие, нужно применять технологию ATM, которая действительно за счет высокой технической сложности дает гарантии качества обслуживания для всех основных видов трафика.

39. Структурная кабельная система применяемая в сетевых технологиях.
Структурированная кабельная система (Structured Cabling System, SCS) - это набор коммутационных элементов (кабелей, разъемов, коннекторов, кроссовых панелей и шкафов), а также методика их совместного использования, которая позволяет создавать регулярные, легко расширяемые структуры связей в вычислительных сетях.

Структурированная кабельная система представляет своего рода «конструктор», с помощью которого проектировщик сети строит нужную ему конфигурацию из стандартных кабелей, соединенных стандартными разъемами и коммутируемых на стандартных кроссовых панелях. При необходимости конфигурацию связей можно легко изменить - добавить компьютер, сегмент, коммутатор, изъять ненужное оборудование, а также поменять соединения между компьютерами и концентраторами.

При построении структурированной кабельной системы подразумевается, что каждое рабочее место на предприятии должно быть оснащено розетками для подключения телефона и компьютера, даже если в данный момент этого не требуется. То есть хорошая структурированная кабельная система строится избыточной. В будущем это может сэкономить средства, так как изменения в подключении новых устройств можно производить за счет перекоммутации уже проложенных кабелей.

Типичная иерархическая структура структурированной кабельной системы включает:

• горизонтальные подсистемы (в пределах этажа);
• вертикальные подсистемы (внутри здания);
• подсистему кампуса (в пределах одной территории с несколькими зданиями).

Горизонтальная подсистема соединяет кроссовый шкаф этажа с розетками пользователей. Подсистемы этого типа соответствуют этажам здания. Вертикальная подсистема соединяет кроссовые шкафы каждого этажа с центральной аппаратной здания. Следующим шагом иерархии является подсистема кампуса, которая соединяет несколько зданий с главной аппаратной всего кампуса. Эта часть кабельной системы обычно называется магистралью (backbone).

Использование структурированной кабельной системы вместо хаотически проложенных кабелей дает предприятию много преимуществ.

· Универсальность. Структурированная кабельная система при продуманной организации может стать единой средой для передачи компьютерных данных в локальной вычислительной сети, организации локальной телефонной сети, передачи видеоинформации и даже передачи сигналов от датчиков пожарной безопасности или охранных систем. Это позволяет автоматизировать многие процессы контроля, мониторинга и управления хозяйственными службами и системами жизнеобеспечения предприятия.

· Увеличение срока службы. Срок морального старения хорошо структурированной кабельной системы может составлять 10-15 лет.

· Уменьшение стоимости добавления новых пользователей и изменения их мест размещения. Известно, что стоимость кабельной системы значительна и определяется в основном не стоимостью кабеля, а стоимостью работ по его прокладке. Поэтому более выгодно провести однократную работу по прокладке кабеля, возможно, с большим запасом по длине, чем несколько раз выполнять прокладку, наращивая длину кабеля. При таком подходе все работы по добавлению или перемещению пользователя сводятся к подключению компьютера к уже имеющейся розетке.

· Возможность легкого расширения сети. Структурированная кабельная система является модульной, поэтому ее легко расширять. Например, к магистрали можно добавить новую подсеть, не оказывая никакого влияния на существующие подсети. Можно заменить в отдельной подсети тип кабеля независимо от остальной части сети. Структурированная кабельная система является основой для деления сети на легко управляемые логические сегменты, так как она сама уже разделена на физические сегменты.

· Обеспечение более эффективного обслуживания. Структурированная кабельная система облегчает обслуживание и поиск неисправностей по сравнению с шинной кабельной системой. При шинной организации кабельной системы отказ одного из устройств или соединительных элементов приводит к трудно локализуемому отказу всей сети. В структурированных кабельных системах отказ одного сегмента не действует на другие, так как объединение сегментов осуществляется с помощью концентраторов. Концентраторы диагностируют и локализуют неисправный участок.

· Надежность. Структурированная кабельная система имеет повышенную надежность, поскольку производитель такой системы гарантирует не только качество ее отдельных компонентов, но и их совместимость.

40. Концентраторы и сетевые адаптеры, принципы, использование, основные понятия.
Концентраторы вместе с сетевыми адаптерами, а также кабельной системой представляют тот минимум оборудования, с помощью которого можно создать локальную сеть. Такая сеть будет представлять собой общую разделяемую среду

Сетевой адаптер (Network Interface Card, NIC) вместе со своим драйвером реализует второй, канальный уровень модели открытых систем в конечном узле сети - компьютере. Более точно, в сетевой операционной системе пара адаптер и драйвер выполняет только функции физического и МАС-уровней, в то время как LLC-уровень обычно реализуется модулем операционной системы, единым для всех драйверов и сетевых адаптеров. Собственно так оно и должно быть в соответствии с моделью стека протоколов IEEE 802. Например, в ОС Windows NT уровень LLC реализуется в модуле NDIS, общем для всех драйверов сетевых адаптеров, независимо от того, какую технологию поддерживает драйвер.

Сетевой адаптер совместно с драйвером выполняют две операции: передачу и прием кадра.

В адаптерах для клиентских компьютеров значительная часть работы перекладывается на драйвер, тем самым адаптер оказывается проще и дешевле. Недостатком такого подхода является высокая степень загрузки центрального процессора компьютера рутинными работами по передаче кадров из оперативной памяти компьютера в сеть. Центральный процессор вынужден заниматься этой работой вместо выполнения прикладных задач пользователя.

Сетевой адаптер перед установкой в компьютер необходимо конфигурировать. При конфигурировании адаптера обычно задаются номер прерывания IRQ, используемого адаптером, номер канала прямого доступа к памяти DMA (если адаптер поддерживает режим DMA) и базовый адрес портов ввода/вывода.

Практически во всех современных технологиях локальных сетей определено устройство, которое имеет несколько равноправных названий - концентратор (concentrator), хаб (hub), повторитель (repeater). В зависимости от области применения этого устройства в значительной степени изменяется состав его функций и конструктивное исполнение. Неизменной остается только основная функция - это повторение кадра либо на всех портах (как определено в стандарте Ethernet), либо только на некоторых портах, в соответствии с алгоритмом, определенным соответствующим стандартом.

Концентратор обычно имеет несколько портов, к которым с помощью отдельных физических сегментов кабеля подключаются конечные узлы сети - компьютеры. Концентратор объединяет отдельные физические сегменты сети в единую разделяемую среду, доступ к которой осуществляется в соответствии с одним из рассмотренных протоколов локальных сетей - Ethernet, Token Ring и т. п. Так как логика доступа к разделяемой среде существенно зависит от технологии, то для каждого типа технологии выпускаются свои концентраторы - Ethernet; Token Ring; FDDI и 100VG-AnyLAN. Для конкретного протокола иногда используется свое, узкоспециализированное название этого устройства, более точно отражающее его функции или же использующееся в силу традиций, например, для концентраторов Token Ring характерно название MSAU.

Каждый концентратор выполняет некоторую основную функцию, определенную в соответствующем протоколе той технологии, которую он поддерживает. Хотя эта функция достаточно детально определена в стандарте технологии, при ее реализации концентраторы разных производителей могут отличаться такими деталями, как количество портов, поддержка нескольких типов кабелей и т. п.

Кроме основной функции концентратор может выполнять некоторое количество дополнительных функций, которые либо в стандарте вообще не определены, либо являются факультативными. Например, концентратор Token Ring может выполнять функцию отключения некорректно работающих портов и перехода на резервное кольцо, хотя в стандарте такие его возможности не описаны. Концентратор оказался удобным устройством для выполнения дополнительных функций, облегчающих контроль и эксплуатацию сети.

41. Использование мостов и коммутаторов, принципы, особенности, примеры, ограничения
Структуризация с помощью мостов и коммутаторов

сеть можно разделить на логические сегменты с помощью устройств двух типов - мостов (bridge) и/или коммутаторов (switch, switching hub).

Мост и коммутатор - это функциональные близнецы. Оба эти устройства продвигают кадры на основании одних и тех же алгоритмов. Мосты и коммутаторы используют два типа алгоритмов: алгоритм прозрачного моста (transparent bridge), описанного в стандарте IEEE 802.1D, либо алгоритм моста с маршрутизацией от источника (source routing bridge) компании IBM для сетей Token Ring. Эти стандарты были разработаны задолго до появления первого коммутатора, поэтому в них используется термин «мост». Когда же на свет появилась первая промышленная модель коммутатора для технологии Ethernet, то она выполняла тот же алгоритм продвижения кадров IEEE 802.ID, который был с десяток лет отработан мостами локальных и глобальных сетей

Основное отличие коммутатора от моста заключается в том, что мост обрабатывает кадры последовательно, а коммутатор - параллельно. Это обстоятельство связано с тем, что мосты появились в те времена, когда сеть делили на небольшое количество сегментов, а межсегментный трафик был небольшим (он подчинялся правилу 80 на 20 %).

Сегодня мосты по-прежнему работают в сетях, но только на достаточно медленных глобальных связях между двумя удаленными локальными сетями. Такие мосты называются удаленными мостами (remote bridge), и алгоритм их работы ничем не отличается от стандарта 802.1D или Source Routing.

Прозрачные мосты умеют, кроме передачи кадров в рамках одной технологии, транслировать протоколы локальных сетей, например Ethernet в Token Ring, FDDI в Ethernet и т. п. Это свойство прозрачных мостов описано в стандарте IEEE 802.1H.

В дальнейшем будем называть устройство, которое продвигает кадры по алгоритму моста и работает в локальной сети, современным термином «коммутатор». При описании же самих алгоритмов 802.1D и Source Routing в следующем разделе будем по традиции называть устройство мостом, как собственно оно в этих стандартах и называется.

42. Коммутаторы для локальных сетей, протоколы, режимы работы, примеры.
Каждый из 8 портов 10Base-T обслуживается одним процессором пакетов Ethernet - ЕРР (Ethernet Packet Processor). Кроме того, коммутатор имеет системный модуль, который координирует работу всех процессоров ЕРР. Системный модуль ведет общую адресную таблицу коммутатора и обеспечивает управление коммутатором по протоколу SNMP. Для передачи кадров между портами используется коммутационная матрица, подобная тем, которые работают в телефонных коммутаторах или мультипроцессорных компьютерах, соединяя несколько процессоров с несколькими модулями памяти.

Коммутационная матрица работает по принципу коммутации каналов. Для 8 портов матрица может обеспечить 8 одновременных внутренних каналов при полудуплексном режиме работы портов и 16 - при полнодуплексном, когда передатчик и приемник каждого порта работают независимо друг от друга.

При поступлении кадра в какой-либо порт процессор ЕРР буферизует несколько первых байт кадра, чтобы прочитать адрес назначения. После получения адреса назначения процессор сразу же принимает решение о передаче пакета, не дожидаясь прихода остальных байт кадра.

Если же кадр нужно передать на другой порт, то процессор обращается к коммутационной матрице и пытается установить в ней путь, связывающий его порт с портом, через который идет маршрут к адресу назначения. Коммутационная матрица может это сделать только в том случае, когда порт адреса назначения в этот момент свободен, то есть не соединен с другим портом.Если же порт занят, то, как и в любом устройстве с коммутацией каналов, матрица в соединении отказывает. В этом случае кадр полностью буферизуется процессором входного порта, после чего процессор ожидает освобождения выходного порта и образования коммутационной матрицей нужного пути.После того как нужный путь установлен, в него направляются буферизованные байты кадра, которые принимаются процессором выходного порта. Как только процессор выходного порта получает доступ к подключенному к нему сегменту Ethernet по алгоритму CSMA/CD, байты кадра сразу же начинают передаваться в сеть. Описанный способ передачи кадра без его полной буферизации получил название коммутации «на лету» («on-the-fly») или «напролет» («cut-through»). Главной причиной повышения производительности сети при использовании коммутатора является параллельная обработка нескольких кадров.Этот эффект иллюстрирует рис. 4.26. На рисунке изображена идеальная в отношении повышения производительности ситуация, когда четыре порта из восьми передают данные с максимальной для протокола Ethernet скоростью 10 Мб/с, причем они передают эти данные на остальные четыре порта коммутатора не конфликтуя - потоки данных между узлами сети распределились так, что для каждого принимающего кадры порта есть свой выходной порт. Если коммутатор успевает обрабатывать входной трафик даже при максимальной интенсивности поступления кадров на входные порты, то общая производительность коммутатора в приведенном примере составит 4x10 = 40 Мбит/с, а при обобщении примера для N портов - (N/2)xlO Мбит/с. Говорят, что коммутатор предоставляет каждой станции или сегменту, подключенным к его портам, выделенную пропускную способность протокола.Естественно, что в сети не всегда складывается такая ситуация, которая изображена на рис. 4.26. Если двум станциям, например станциям, подключенным к портам 3 и 4, одновременно нужно записывать данные на один и тот же сервер, подключенный к порту 8, то коммутатор не сможет выделить каждой станции поток данных по 10 Мбит/с, так как порт 5 не может передавать данные со скоростью 20 Мбит/с. Кадры станций будут ожидать во внутренних очередях входных портов 3 и 4, когда освободится порт 8 для передачи очередного кадра. Очевидно, хорошим решением для такого распределения потоков данных было бы подключение сервера к более высокоскоростному порту, например Fast Ethernet.Так как главное достоинство коммутатора, благодаря которому он завоевал очень хорошие позиции в локальных сетях, это его высокая производительность, то разработчики коммутаторов стараются выпускать так называемые неблокирующие (non-blocking) модели коммутаторов.

43. Алгоритм работы прозрачного моста.
Прозрачные мосты незаметны для сетевых адаптеров конечных узлов, так как они самостоятельно строят специальную адресную таблицу, на основании которой можно решить, нужно передавать пришедший кадр в какой-либо другой сегмент или нет. Сетевые адаптеры при использовании прозрачных мостов работают точно так же, как и в случае их отсутствия, то есть не предпринимают никаких дополнительных действий, чтобы кадр прошел через мост. Алгоритм прозрачного моста не зависит от технологии локальной сети, в которой устанавливается мост, поэтому прозрачные мосты Ethernet работают точно так же, как прозрачные мосты FDDI.

Прозрачный мост строит свою адресную таблицу на основании пассивного наблюдения за трафиком, циркулирующим в подключенных 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 ее использования на примере простой сети, представленной на рис. 4.18.

Рис. 4.18. Принцип работы прозрачного моста

Мост соединяет два логических сегмента. Сегмент 1 составляют компьютеры, подключенные с помощью одного отрезка коаксиального кабеля к порту 1 моста, а сегмент 2 - компьютеры, подключенные 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 МАС-адреса. Порт моста работает в так называемом неразборчивом (promisquous) режиме захвата пакетов, когда все поступающие на порт пакеты запоминаются в буферной памяти. С помощью такого режима мост следит за всем трафиком, передаваемым в присоединенных к нему сегментах, и использует проходящие через него пакеты для изучения состава сети. Так как в буфер записываются все пакеты, то адрес порта мосту не нужен.

В исходном состоянии мост ничего не знает о том, компьютеры с какими МАС-адресами подключены к каждому из его портов. Поэтому в этом случае мост просто передает любой захваченный и буферизованный кадр на все свои порты за исключением того, от которого этот кадр получен. В нашем примере у моста только два порта, поэтому он передает кадры с порта 1 на порт 2, и наоборот. Когда мост собирается передать кадр с сегмента на сегмент, например с сегмента 1 на сегмент 2, он заново пытается получить доступ к сегменту 2 как конечный узел по правилам алгоритма доступа, в данном примере - по правилам алгоритма CSMA/CD.

Одновременно с передачей кадра на все порты мост изучает адрес источника кадра и делает новую запись о его принадлежности в своей адресной таблице, которую также называют таблицей фильтрации или маршрутизации.

После того как мост прошел этап обучения, он может работать более рационально. При получении кадра, направленного, например, от компьютера 1 компьютеру 3, он просматривает адресную таблицу на предмет совпадения ее адресов с адресом назначения 3. Поскольку такая запись есть, то мост выполняет второй этап анализа таблицы - проверяет, находятся ли компьютеры с адресами источника (в нашем случае - это адрес 1) и адресом назначения (адрес 3) в одном сегменте. Так как в нашем примере они находятся в разных сегментах, то мост выполняет операцию продвижения (forwarding) кадра - передает кадр на другой порт, предварительно получив доступ к другому сегменту.

Если же адрес назначения неизвестен, то мост передает кадр на все свои порты, кроме порта - источника кадра, как и на начальной стадии процесса обучения.

44. Мосты с маршрутизацией от источника.
Мосты с маршрутизацией от источника применяются для соединения колец Token Ring и FDDI, хотя для этих же целей могут использоваться и прозрачные мосты. Маршрутизация от источника (Source Routing, SR) основана на том, что станция-отправитель помещает в посылаемый в другое кольцо кадр всю адресную информацию о промежуточных мостах и кольцах, которые должен пройти кадр перед тем, как попасть в кольцо, к которому подключена станция-получатель.

Рассмотрим принципы работы мостов Source Routing (в дальнейшем, SR-мосты) на примере сети, изображенной на рис. 4.21. Сеть состоит из трех колец, соединенных тремя мостами. Для задания маршрута кольца и мосты имеют идентификаторы. SR-мосты не строят адресную таблицу, а при продвижении кадров пользуются информацией, имеющейся в соответствующих полях кадра данных.

Риc. 4.21. Мосты типа Source Routing

При получении каждого пакета SR-мосту нужно только просмотреть поле маршрутной информации (поле Routing Information Field, RIF, в кадре Token Ring или FDDI) на предмет наличия в нем своего идентификатора. И если он там присутствует и сопровождается идентификатором кольца, которое подключено к данному мосту, то в этом случае мост копирует поступивший кадр в указанное кольцо. В противном случае кадр в другое кольцо не копируется. В любом случае исходная копия кадра возвращается по исходному кольцу станции-отправителю, и если он был передан в другое кольцо, то бит А (адрес распознан) и бит С (кадр скопирован) поля статуса кадра устанавливаются в 1, чтобы сообщить станции-отправителю, что кадр был получен станцией назначения (в данном случае передан мостом в другое кольцо).

Так как маршрутная информация в кадре нужна не всегда, а только для передачи кадра между станциями, подключенными к разным кольцам, то наличие в кадре поля RIF обозначается установкой в 1 бит индивидуального/группового адреса (I/G) (при этом данный бит используется не по назначению, так как адрес источника всегда индивидуальный).

Поле RIF имеет управляющее подполе, состоящее из трех частей.

• Тип кадра определяет тип поля RIF. Существуют различные типы полей RIF, использующиеся для нахождения маршрута и для отправки кадра по известному маршруту.
• Поле максимальной длины кадра используется мостом для связи колец, в которых установлено различное значение MTU. С помощью этого поля мост уведомляет станцию о максимально возможной длине кадра (то есть минимальном значении MTU на протяжении всего составного маршрута).
• Длина поля RIF необходима, так как заранее неизвестно количество описателей маршрута, задающих идентификаторы пересекаемых колец и мостов.

Для работы алгоритма маршрутизации от источника используются два дополнительных типа кадра - одномаршрутный широковещательный кадр-исследователь SRBF (single-route broadcast frame) и многомаршрутный широковещательный кадр-исследователь ARBF (all-route broadcast frame).

Все SR-мосты должны быть сконфигурированы администратором вручную, чтобы передавать кадры ARBF на все порты, кроме порта-источника кадра, а для кадров SRBF некоторые порты мостов нужно заблокировать, чтобы в сети не было петель.

Преимущества и недостатки мостов с маршрутизацией от источника

45. Коммутаторы: техническая реализация, функции, характеристики, влияющие на их работу.
Особенности технической реализации коммутаторов. Многие коммутаторы первого поколения были похожи на маршрутизаторы, то есть основывались на центральном процессоре общего назначения, связанном с интерфейсными портами по внутренней скоростной шине. Основным недостатком таких коммутаторов была их низкая скорость. Универсальный процессор никак не мог справиться с большим объемом специализированных операций по пересылке кадров между интерфейсными модулями. Кроме процессорных микросхем для успешной неблокирующей работы коммутатору нужно также иметь быстродействующий узел для передачи кадров между процессорными микросхемами портов. В настоящее время коммутаторы используют в качестве базовой одну из трех схем, на которой строится такой узел обмена:

• коммутационная матрица;
• разделяемая многовходовая память;
• общая шина.