Электрические сигналы интерфейса 100base fx. Описание технологии Fast Ethernet
Быстрый Ethernet
Когда-то казалось, что 10 Мбит/с - это просто фантастически высокая скорость. Однако мир меняется очень быстро. Постоянно ощущалась и продолжает ощущаться нехватка скорости и ширины канала. Для решения этих проблем различными компаниями было разработано множество оптоволоконных кольцевых ЛВС. Одна из таких систем называется FDDI (Fiber Distributed Data Interface - распределенный интерфейс передачи данных по волоконно-оптическим каналам), а другая - волоконный канал (Fibre Channel). Они обе использовались в магистральных сетях, но ни одна из них так и не стала доступна непосредственно конечному пользователю. В обоих случаях управление станциями осуществлялось очень сложными методами, что привело к необходимости создания дорогостоящих, сложных микросхем.
После неудачной попытки создания волоконно-оптических локальных сетей возникло множество Ethernet-сетей, работающих со скоростями свыше 10 Мбит/с. Многим приложениям требовалась высокая пропускная способность, и поэтому появились 10-мегабитные ЛВС, связанные лабиринтами кабелей, повторителей, мостов, маршрутизаторов и шлюзов. Сетевым администраторам иногда казалось, что система держится еле-еле и может развалиться от любого прикосновения.
Вот при таких обстоятельствах в 1992 году институт IEEE начал пересмотр стандартов и дал заказ комитету 802.3 выработать спецификацию более быстрых сетей. Одно из предложений состояло в том, чтобы сохранить 802.3 без изменений и просто увеличить скорость работы. Другое заключалось в том, чтобы полностью его переделать, снабдить новым набором функций - например, обеспечить возможность передачи данных реального времени, оцифрованной речи. При этом предлагалось сохранить старое название стандарта. Комитет решил все-таки изменить лишь скорость работы 802.3, а все остальные параметры оставить прежними. Сторонники хлопнули дверью, организовали собственный комитет и разработали свой стандарт (собственно, 802.12), который, впрочем, с треском провалился.
Комитет 802.3 решил продолжить линию старого доброго Ethernet по следующим трем соображениям.
1. Необходимость обратной совместимости с существующими ЛВС Ethernet.
2. Боязнь того, что в новом протоколе могут вскрыться неожиданные проблемы.
3. Желание успеть переделать стандарт до того, как изменится технология в целом.
Работа шла довольно быстро, и уже в июне 1995 года официально объявили о создании стандарта 802.3и. С технической точки зрения, в нем нет ничего нового по сравнению с предыдущей версией. Честнее было бы назвать это не новым стандартом, а расширением 802.3 (чтобы еще больше подчеркнуть обратную совместимость с ним).
Основная идея быстрого Ethernet: оставить без изменений все старые форматы кадров, интерфейсы, процедуры и лишь уменьшить битовый интервал со 100 нс до 10 нс. Преимущества проводки 10Base-T были столь неоспоримы, что практически все системы типа «быстрый Ethernet» в результате были построены именно на этом типе кабеля. Таким образом, в быстром Ethernet используются исключительно концентраторы (хабы) и коммутаторы.
Однако некоторые технические решения все же необходимо было принять. Самый важный вопрос заключался в том, какие типы кабелей поддерживать. Одним из претендентов была витая пара категории 3. Основным аргументом в его пользу было то, что практически все западные офисы уже были оборудованы по крайней мере четырьмя витыми парами категории 3 (а то и лучше): они использовались в телефонных линиях, и их длина (до ближайшего телефонного щита) составляла не более 100 м. Иногда можно было встретить два таких кабеля.
Было лишь одно неудобство: витые пары третьей категории неспособны передавать сигналы, изменяющиеся со скоростью 200 мегабод (100 Мбит/с с манчестерским кодированием) на 100 м (именно таково максимальное расстояние между компьютером и концентратором, установленное стандартом для 10Base-T). Витые пары категории 5 с такой задачей справились бы без всяких проблем, а для оптоволокна это и вовсе смешная цифра. Надо было найти какой-то компромисс. Не мудрствуя лукаво, комитет 802.3 разрешил применять все три типа кабелей, как показано в табл. 4.2, с условием, что решения на основе витой пары третьей категории будут чуть живее и смогут обеспечить необходимую емкость канала
В сетях Fast Ethernet максимальное значение окна коллизий равно 5,12 мксек и называется временем канала (slot time). Это время в точности соответствует минимальной длине пакета в 64 байта. Для более короткого пакета коллизия может быть не зафиксирована. Окно коллизий представляет собой время от начала передачи первого бита кадра до потери возможности регистрации коллизии с любым узлом сегмента, это время равно удвоенной задержке распространения сигнала между узлами (RTT). Конфигурация сети Fast Ethernet, для которой значение окна коллизий превышает время канала, не верна. Время канала задает величину минимального размера кадра и максимальный диаметр сети.
В сетях 100-мегагерцного Ethernet используются повторители двух классов (I и II ). Задержки сигналов в повторителях класса I больше (~140нс), зато они преобразуют входные сигналы в соответствии с регламентациями применяемыми при работе с цифровыми кодами. Такие повторители могут соединять каналы, отвечающие разным требованиям, например, 100BASE-TX и 100BASE-T4 или 100BASE-FX. Преобразование сигнала может занимать время, соответствующее передаче нескольких бит, поэтому в пределах одного логического сегмента может быть применен только один повторитель класса I , если кабельные сегменты имеют предельную длину. Повторители часто имеют встроенные возможности управления с использованием протокола SNMP.
Повторители класса II имеют небольшие задержки (~90нс или даже меньше), но никакого преобразования сигналов здесь не производится, и по этой причине они могут объединять только однотипные сегменты. Логический сегмент может содержать не более двух повторителя класса II , если кабели имеют предельную длину. Повторители класса II не могут объединять сегменты разных типов, например, 100BASE-TX и 100BASE-T4. . Согласно требованиям комитета IEEE время задержки сигнала JAM в повторителе Fast Ethernet (TX и FX) не должно превышать 460 нсек, а для 100BASE-T4 – 670 нсек.
100Base-FX, использует два оптических многомодовых кабеля (отвечающие требованиям стандарта ANSI), по одному для передачи в каждом направлении, то есть также полный дуплекс на скорости 100 Мбит/с в каждом направлении. Кроме того, расстояние между станциями при этом может достигать 2 км. Мультимодовое волокно 62,5/125m (см. выше) работает в инфракрасном диапазоне 1350нм.
Предельное ослабление сигнала в волокне не должно превышать 11 дБ, стандартный кабель имеет 1-5 дБ/км. Оптические разъемы должны отвечать тем же требованиям, что и разъемы, используемые в FDDI-сетях (MIC - Media Interface Connector).
Поскольку оптоволоконные кабели системы 100Base-FX слишком длинны для алгоритма столкновений, стандартного для сети Ethernet, их следует присоединять к буферированным коммутируемым концентраторам, так чтобы каждый кабель представлял собой отдельную область столкновений.
Устройство системы 100Base-TX (стандарт ANSI TP-PMD), использующей витые пары категории 5 (волновое сопротивление 100-150 Ом), проще, так как кабели этого типа могут работать с сигналами на частоте 125 МГц. Поэтому для каждой станции используются только две витые пары: одна к концентратору, другая от него. Прямое битовое кодирование не используется. Вместо него имеется специальная система кодирования, называемая 4В/5В. Она является последователем FDDI и совместима с ней. Каждая группа из четырех тактовых интервалов, каждый из которых содержит один из двух сигнальных значений, образует 32 комбинации. 16 из них используются для передачи четырехбитных групп 0000, 0001, 0010…1111. Оставшиеся 16 используются для служебных целей - например, для маркировки границ кадров. Используемые комбинации тщательно подбирались с целью обеспечения достаточного количества передач для поддержки синхронизации с тактогенератором. Система 100Base-TX является полнодуплексной, станции могут передавать на скорости 100 Мбит/с и одновременно принимать на той же скорости. Зачастую кабели 100Base-TX и 100Base-T4 называют просто 100Base-T. Провода должны быть скручены по всей длине, скрутка может быть прервана не далее как в 12мм от разъема.
При работе со скрученными парами (стандарт TX) используется 8-контактный разъем RJ-45 со следующим назначением контактов:
Если используются экранированные пары и 9-контактный разъем “D”-типа, то назначение контактов следующее:
| Контакт 1 | Прием + |
| Контакт 5 | Передача + |
| Контакт 6 | Прием - |
| Контакт 9 | Передача - |
В схеме 100Base-4T, используют четыре скрученные пары телефонного качества (экранированные и неэкранированные скрученные пары проводов категории 3, 4 или 5), сигнальная скорость составляет 25 МГц, что лишь на 25 % больше, чем 20 МГц стандарта Ethernet (в манчестерском кодировании, требуется удвоенная частота). Чтобы достичь требуемой пропускной способности, в схеме 100Base-4T применяются четыре витые пары. Провода должны быть скручены по всей длине, скрутка может быть прервана не далее как в 12мм от разъема.
Из четырех витых пар одна всегда направляется на концентратор, одна - от концентратора, а две оставшиеся переключаются в зависимости от текущего направления передачи данных. Для достижения скорости 100 Мбит/с от манчестерского кодирования пришлось отказаться, однако, учитывая сегодняшние
тактовые частоты и небольшие расстояния между станциями ЛВС, без него вполне можно обойтись. Кроме того, по линии посылаются троичные сигналы, то есть 0, 1 или 2. При использовании трех витых пар в направлении передачи данных это означало передачу 1 из 27 возможных символов за один такт, то есть 4 бита плюс некоторая избыточность, что при тактовой частоте в 25 МГц как раз и составляет требуемые 100 Мбит/с. Кроме того, есть еще обратный канал, работающий на скорости 33,3 Мбит/с по оставшейся витой паре. Такая схема, известна как 8В/6Т (8 битов в виде 6 троичных цифр).
Для стандарта 100BASE-T4 назначение контактов приведено в таблице.
Разъем MDI (Media Dependant Interface) кабеля 100BASE-T4
Пары 2 и 3 также как и в ТХ предназначены для приема и передачи данных. Пары 1 и 4 используются в двух направлениях, преобразуя канал между узлом и повторителем в полудуплексную. В процессе передачи узел использует пары 1, 2 и 4, а повторитель – пары 1, 3 и 4. Следует заметить, что схема Т4, в отличие от ТХ, может работать только в полудуплексном режиме.
Схема подключения и передачи сигналов в сетях 100BASE-T4 показана на рис.
Gigabit Ethernet
Гигабитная сеть Ethernet
Только, только родился стандарт быстрого Ethernet, как комитет 802 приступил к работе над новой версией (1995). Ее почти сразу окрестили гигабитной сетью Ethernet, а в 1998 году новый стандарт был уже ратифицирован IEEE под официальным названием 802.3z. Тем самым разработчики подчеркнули, что это последняя разработка в линейке 802. Ключевые свойства гигабитного Главные предпосылки создания 802.3z были те же самые, что и при создании 802.3и, - повысить в 10 раз скорость, сохранив обратную совместимость со старыми сетями Ethernet. В частности, гигабитный Ethernet должен был обеспечить дейтаграммный сервис без подтверждений как при односторонней, так и при групповой передаче. При этом необходимо было сохранить неизменными 48-битную схему адресации и формат кадра, включая нижние и верхние ограниче-
ния его размера. Новый стандарт удовлетворил всем этим требованиям. Гигабитные сети Ethernet строятся по принципу «точка - точка», в них не применяется моноканал, как в исходном 10-мегабитном Ethernet, который теперь, кстати, величают классическим Ethernet. Простейшая гигабитная сеть, показанная на рис. 4.20, а, состоит из двух компьютеров, напрямую соединенных друг с другом. В более общем случае, однако, имеется коммутатор или концентратор, к которому подсоединяется множество компьютеров, возможна также установка дополнительных коммутаторов или концентраторов (рис. 4.20, б). Но в любом случае к одному кабелю гигабитного Ethernet всегда присоединяются два устройства, ни больше, ни меньше.
Рис. 4.20. Сеть Ethernet, состоящая из двух станций (а); сеть Ethernet, состоящая из множества станций (б)
Гигабитный Ethernet может работать в двух режимах: полнодуплексном и полудуплексном. «Нормальным» считается полнодуплексный, при этом трафик может идти одновременно в обоих направлениях. Этот режим используется, когда имеется центральный коммутатор, соединенный с периферийными компьютерами или коммутаторами. В такой конфигурации сигналы всех линий буферизируются, поэтому абоненты могут отправлять данные, когда им вздумается. Отправитель не прослушивает канал, потому что ему не с кем конкурировать . На линии между компьютером и коммутатором компьютер - это единственный потенциальный отправитель; передача произойдет успешно даже в том случае, если одновременно с ней ведется передача со стороны коммутатора (линия полнодуплексная). Так как конкуренции в данном случае нет, протокол CSMA/CD не применяется, поэтому максимальная длина кабеля определяется исключительно мощностью сигнала, а вопросы времени распространения шумового всплеска здесь не встают. Коммутаторы могут работать на смешанных скоростях; более того, они автоматически выбирают оптимальную скорость. Самонастройка поддерживается так же, как и в быстром Ethernet. Полудуплексный режим работы используется тогда, когда компьютеры соединены не с коммутатором, а с концентратором. Хаб не буферизирует входящие кадры. Вместо этого он электрически соединяет все линии, симулируя моноканал обычного Ethernet. В этом режиме возможны коллизии, поэтому применяется CSMA/CD. Поскольку кадр минимального размера (то есть 64-байтный) может передаваться в 100 раз быстрее, чем в классической сети Ethernet, максимальная длина сегмента должна быть соответственно уменьшена в 100 раз. Она составляет 25 м - именно при таком расстоянии между станциями шумовой всплеск гарантированно достигнет отправителя до окончания его передачи. Если бы кабель имел длину 2500 м, то отправитель 64-байтного кадра при 1 Гбит/с успел бы много чего наделать даже за то время, пока его кадр прошел только десятую часть пути в одну сторону, не говоря уже о том, что сигнал должен еще и вернуться обратно.
Комитет разработчиков стандарта 802.3z совершенно справедливо заметил, что 25 м - это неприемлемо малая длина, и ввел два новых свойства, позволивших расширить радиус сегментов. Первое называется расширением носителя. Заключается это расширение всего-навсего в том, что аппаратура вставляет собственное поле заполнения, растягивающее нормальный кадр до 512 байт. Поскольку это поле добавляется отправителем и изымается получателем, то программному обеспечению нет до него никакого дела. Конечно, тратить 512 байт на передачу 46 байт - это несколько расточительно с точки зрения эффективности использования пропускной способности. Эффективность такой передачи составляет всего 9 %. Второе свойство, позволяющее увеличить допустимую длину сегмента, - это пакетная передача кадров. Это означает, что отправитель может посылать не единичный кадр, а пакет, объединяющий в себе сразу много кадров. Если полная длина пакета оказывается менее 512 байт, то, как в предыдущем случае, производится аппаратное заполнение фиктивными данными. Если же кадров, ждущих передачу, хватает на то, чтобы заполнить такой большой пакет, то работа системы оказывается очень эффективной. Такая схема, разумеется, предпочтительнее расширения носителя. Эти методы позволили увеличить максимальную длину сегмента до 200 м, что, наверное, для организаций уже вполне приемлемо. Трудно представить себе организацию, которая потратила бы немало усилий и средств на установку плат для высокопроизводительной гигабитной сети Ethernet, а потом соединила бы компьютеры концентраторами, симулирующими работу классического Ethernet со всеми его коллизиями и прочими проблемами. Концентраторы, конечно, дешевле коммутаторов, но интерфейсные платы гигабитного Ethernet все равно относительно дороги, поэтому экономия на покупке концентратора вместо коммутатора себя не оправдывает. Кроме того, это резко снижает производительность, и становится вообще непонятно, зачем было тратить деньги на гигабитные платы. Однако обратная совместимость - это нечто священное в компьютерной индустрии, поэтому, несмотря ни на что, в 802.3z подобная возможность предусматривается. Гигабитный Ethernet поддерживает как медные, так и волоконно-оптические кабели, что отражено в табл. 4.3. Работа на скорости 1 Гбит/с означает, что источник света должен включаться и выключаться примерно раз в наносекунду.
Светодиоды просто не могут работать так быстро, поэтому здесь необходимо применять лазеры. Стандартом предусматриваются две операционных длины волны: 0,85 мкм (короткие волны) и 1,3 мкм (длинные). Лазеры, рассчитанные на 0,85 мкм, дешевле, но не работают с одномодовыми кабелями.
Официально допускается использование трех диаметров волокна: 10, 50 и 62,5 мкм. Первое предназначено для одномодовой передачи, два других - для многомодовой. Не все из шести комбинаций являются разрешенными, а максимальная длина сегмента зависит как раз от выбранной комбинации. Числа, приведенные в табл. 4.3, - это наилучший случай. В частности, пятикилометровый кабель можно использовать только с лазером, рассчитанным на длину волны 1,3 мкм и работающим с 10-микрометровым одномодовым волокном. Такой ва-
риант, видимо, является наилучшим для магистралей разного рода кампусов и производственных территорий. Ожидается, что он будет наиболее популярным несмотря на то, что он самый дорогой. 1000Base-CX использует короткий экранированный медный кабель. Проблема в том, что его поджимают конкуренты как сверху (1000Base-LX), так и снизу (1000Base-T). В результате сомнительно, что он завоюет широкое общественное
признание. Наконец, еще один вариант кабеля - это пучок из четырех неэкранированных витых пар. Поскольку такая проводка существует почти повсеместно, то, похоже, это будет «гигабитный Ethernet для бедных».
Новый стандарт использует новые правила кодирования сигналов, передающихся по оптоволокну. Манчестерский (4В/5В) код при скорости передачи данных 1 Гбит/с потребовал бы скорости изменения сигнала в 2 Гбод. Это слишком сложно и занимает слишком большую долю пропускной способности. Вместо манчестерского кодирования применяется схема, называющаяся 8В/10В. Как нетрудно догадаться по названию, каждый байт, состоящий из 8 бит, кодируется для передачи по волокну десятью битами. Поскольку возможны 1024 результирующих кодовых слова для каждого входящего байта, данный метод дает некоторую свободу
выбора кодовых слов. При этом принимаются в расчет следующие правила:
Ни одно кодовое слово не должно иметь более четырех одинаковых битов подряд;
Нив одном кодовом слове не должно быть более шести нулей или шести единиц.
Почему именно такие правила? Во-первых, они обеспечивают достаточное количество изменений состояния в потоке данных, необходимое для того, чтобы приемник оставался синхронизированным с передатчиком. Во-вторых, количество нулей и единиц стараются примерно выровнять. К тому же многие входящие байты имеют два возможных кодовых слова, ассоциированных с ними. Когда кодирующее устройство имеет возможность выбора кодовых слов, оно, вероятно, выберет из них то, которое сравняет число нулей и единиц. Сбалансированному количеству нулей и единиц потому придается такое значение, что необходимо держать постоянную составляющую сигнала на как можно более низком уровне. Тогда она сможет пройти через преобразователи без изменений. Люди, занимающиеся компьютерной наукой, не в восторге от того, что
преобразовательные устройства диктуют те или иные правила кодирования сигналов, но жизнь есть жизнь.
Гигабитный Ethernet, построенный на 1000Base-T, использует иную схему кодирования, поскольку изменять состояние сигнала в течение 1 не для медного кабеля затруднительно. Здесь применяются 4 витые пары категории 5, что дает возможность параллельно передавать 4 символа. Каждый символ кодируется одним из пяти уровней напряжения Чтобы вписать 1Гц в 4 витые пары применяется код РАМ5. Число из 8 бит передается пятеричное число – код с основанием 5. Таким образом, один сигнал может означать 00, 01, 10 или 11. Есть еще специальное, служебное значение напряжения. На одну витую пару приходится 2 бита данных, соответственно, за один временной интервал система передает 8 бит по 4 витым парам. Тактовая частота равна
125 МГц, что позволяет работать со скоростью 1 Гбит/с. Пятый уровень напряжения был добавлен для специальных целей - кадрирования и управления. 1 Гбит/с - это довольно много. Например, если приемник отвлечется на какоето дело в течение 1 мс и при этом забудет/не успеет освободить буфер, это означает, что он «проспит» примерно 1953 кадра. Может быть и другая ситуация: один компьютер выдает данные по гигабитной сети, а другой принимает их по классическому Ethernet. Вероятно, первый быстро завалит данными второго.
В первую очередь переполнится буфер обмена. Исходя из этого было принято решение о внедрении в систему контроля потока (так было и в быстром Ethernet, хотя эти системы довольно сильно различаются). Для реализации контроля потока одна из сторон посылает служебный кадр, сообщающий о том, что второй стороне необходимо приостановиться на некоторое время. Служебные кадры - это, на самом деле, обычные кадры Ethernet, в поле Туре которых записано 0x8808. Первые два байта поля данных - командные, а последующие, по необходимости, содержат параметры команды. Для контроля потока используются кадры типа PAUSE, причем в качестве параметра указывается продолжительность паузы в единицах времени передачи минимального кадра. Для гигабитного Ethernet такая единица равна 512 не, а паузы могут длиться до 33,6 мс.
Гигабитный Ethernet был стандартизован, и комитет 802 заскучал. Тогда IEEE предложил ему начать работу над 10-гигабитным Ethernet. Начались долгие попытки найти в английском алфавите какую-нибудь букву после z. Когда стало очевидно, что такой буквы нет в природе, от старого подхода решено было отказаться и перейти к двухбуквенным индексам. Так в 2002 году появился стандарт802.3ае. Судя по всему, появление 100-гигабитного Ethernet уже тоже не за горами.
Еще несколько слов (выдержек из лекций) которые здесь не упомянались
Возникли проблемы: В нем сохранили витую пару 100 м, а при этом время на разрешения коммутаций уже не хватает
Эхоподавление(для дуплекса) до 1 Гц и каждая пара используется на всю ширину своей полосы в оба направления
в любом случае – дуплексный или полудуплексный- сигнал передается по всем 4-м витым парам
Есть 3 среды, в которых может работать:
1) Оптоволокно
Может использоваться 2 или 4 коаксиальных пары. И возможное расстояние примерно равно 25 м. им объединяются например рядом стоящие серваки.
Так же задается количество нулей и единиц, что сохранит самосинхронизацию.
Похожая информация.
Оптоволоконные сети в нашем регионе, как и черная икра, не пользуются большим спросом. Однако там, где речь идет о безопасности информации, высокой помехозащищенности или о преодолении дистанционных ограничений топологии, другого выбора не представляется.
Вряд ли будет ошибочным утверждение, что победное шествие технологии Ethernet началось с появлением стандартов 10Base-Т для витой пары. Одной из основных причин этого являлась укладка кабеля UTP 3 или UTP 5 в строящихся зданиях по умолчанию (речь, конечно, идет о Западе). Серия стандартов 10Base-F для оптоволокна явилась логическим расширением стандартов 10Base-Т. Но если инкрементная миграция к стандарту 100Base-T для сетей на витой паре, в общем, не представляла проблем, то это было не так в случае оптоволоконных сетей ввиду несовместимости соответствующих стандартов по длине волны: 850 нм для 10Base-F и 1300 мкм для 100Base-FX.
В то же время инсталлированная база 10-мегабитовых оптоволоконных сетей Ethernet оказалась достаточной для оказания необходимого давления на индустрию. Попытки создать проект в рамках группы IEEE 802.3 для решения этой проблемы оказались безуспешными, и производители, заинтересованные в разработке соответствующего стандарта, организовали группу под эгидой TIA (Telecommunications Industry Association). Группа TIA надеется, что разрабатываемый ею стандарт, который называется 100Base-SX (S обозначает short wavelength), будет, в конечном счете, принят IEEE.
По тем или иным причинам 10-мегабитовым оптоволоконным сетям Ethernet уделялось недостаточно внимания на страницах нашего еженедельника, и сейчас представился повод подробнее рассказать о данной технологии. Вероятнее всего для большинства наших читателей это будет иметь лишь исторический интерес, однако описание соответствующих стандартов не только восполнит пробел, но и поможет прояснить суть проблемы.
Основные свойства оптического кабеля
Прежде чем переходить к описанию стандартов 10Base-F, остановимся на некоторых особенностях строения и свойствах оптоволокна, необходимых для дальнейшего. Из конструктивных особенностей для нас важна только рабочая зона кабеля, а именно сердцевина и оболочка (не защитная). Сердцевина выполняется из кварцевого стекла или оптического пластика и имеет высокий коэффициент преломления. У оболочки, которая охватывает сердцевину, коэффициент преломления более низкий. Таким образом, луч, распространяющийся в сердцевине, испытывает на границе сред полное внутреннее отражение.
Существуют два основных типа оптоволоконного кабеля: одномодовый и многомодовый. Их оптические свойства определяются диаметром сердцевины. Наиболее характерные размеры: 8,3 мкм для одномодового волокна, 50 или 62,5 мкм для многомодового и 125 мкм для оболочки. Кабель маркируется двумя этими числами, указанными через косую (например, 8,3/125 — для одномодового волокна или 62,5/125 — для многомодового).
По одномодовому оптоволокну без значительного затухания может распространяться луч одной определенной частоты (одна мода), в то время как по многомодовому — лучи из довольно большого диапазона частот (много мод).
В отличие от монохромного излучения, в случае одномодового волокна передатчик для многомодового волокна излучает свет в некотором узком диапазоне частот. Лучи входят в сердцевину под слегка отличающимися углами, в результате чего длины их путей не совпадают. Это приводит к тому, что к приемнику они приходят в разное время, формируя эффект, называемый модальной дисперсией, который вызывает деградацию сигнала. Этого не происходит в одномодовом волокне, поэтому оно способно передавать сигнал на более длинные дистанции. Многомодовое волокно имеет два так называемых окна прозрачности, т. е. две длины волны с относительно низкой величиной затухания: коротковолновое — около 850 нм (порог видимого спектра) и длинноволновое — приблизительно 1300 нм (инфракрасный спектр).
Краткая история оптических стандартов Ethernet
Будем помнить, что речь идет о "медленной", 10-мегабитовой технологии Ethernet. Первый оптический стандарт, который назывался Fiber Optic Inter-Repeater Link (FOIRL), был принят в 1987 г. и являлся частью спецификации репитера. Он был разработан с целью обеспечить связь типа точка—точка между двумя относительно далеко (до 1 км) отстоящими репитерами. Стандарт поддерживал пропускную способность 10 Mbps по двум многомодовым оптоволоконным кабелям, образующим дуплексный канал, и использовал излучение длиной 850 нм.
Несколькими годами позже был принят стандарт 10Base-F с такими же средой передачи и длиной волны, обратносовместимый с FOIRL. Идентификатор 10Base-F относился к группе из трех типов оптических сегментов: 10Base-FL, 10Base-FB и 10Base-FP, которые были несовместимы друг с другом по оптическим интерфейсам. Перейдем теперь к краткому их описанию.
10Base-FL (Fiber Link) — стандарт разрабатывался для замены FOIRL. Он поддерживает длину сегмента до 2 км. Эта технология позволяет связать два компьютера, два репитера или компьютер и репитер. Все сегменты 10Base-FL являются соединениями типа точка—точка с трансивером на каждом конце. Компьютер подсоединяется к среде передачи (в типичном случае — к двум оптоволоконным кабелям 62,5/125) с помощью внешнего трансивера, а сетевая карта компьютера — к трансиверу с помощью кабеля AUI (Attachment Unit Interface). Прием и передача ведутся по отдельным кабелям, что позволяет опционально организовать дуплексный канал. В дуплексном режиме 10Base-FL может поддерживать длину сегмента более 2 км, так как не существует больше временных ограничений, накладываемых возможностью коллизий. К примеру, при использовании высококачественного многомодового оптоволокна длина сегмента может достигать 5 км.
10Base-FB (Fiber Backbone) — эта технология разрабатывалась исключительно для соединения двух репитеров и не допускала непосредственного соединения компьютера и репитера. Кроме того, что она поддерживала длину индивидуального сегмента до 2 км, технология позволяла увеличить количество репитеров, которое могло быть использовано в сети. Это достигалось с помощью специального синхронизирующего протокола. Стандарт использовал те же типы кабеля и коннекторы, что и 10Base-FL, однако порты репитеров этих двух типов не могли быть прямо соединены из-за различия сигнальных протоколов. 10Base-FB не поддерживал также дуплексный режим.
10Base-FP (Fiber Passive) — реализация данной спецификации представляет собой систему пассивной звезды. Ее "луч" может достигать длины 500 м, а хаб — связывать до 33 компьютеров. Поскольку хаб не требует питания, то эта технология идеально подходит для мест, куда нельзя подвести электричество. Устройство получает оптический сигнал от специального трансивера 10Base-FP и распределяет его равномерно по всем остальным трансиверам, подключенным к нему, включая и тот, от которого получен сигнал. Технология не поддерживает дуплексный режим и вообще не получила широкого распространения.
Вот вкратце то, что представляла собой с технологической точки зрения инсталлированная база оптоволоконных 10-мегабитовых сетей Ethernet. Для миграции к Fast Ethernet в этой ситуации имелись три препятствия:
стандарты 10Base-FL и 100Base-FX несовместимы по длине волны (850 и 1300 нм, соответственно);
несовместимость не позволяла использовать схему автосогласования (autonegotiation), которая требуется для инкрементной миграции;
первоначальная стоимость разворачивания сетей на многомодовом оптоволокне выше, чем в случае медной проводки.
Конечно, возникает справедливый вопрос: почему же при разработке оптоволоконных стандартов Fast Ethernet 100Base-FX не была принята с целью совместимости длина волны 850 нм? А дело в том, что, когда в начале 90-х комитет стандартов начал работу над Fast Ethernet, уже существовала технология 100 Mbps, использующая в качестве среды передачи витую пару и оптоволокно. Это FDDI. Было удобно (и целесообразно) применить проверенную технологию. Поэтому стандарты Fast Ethernet 100Base-ТX (витая пара) и 100Base-FX (оптоволокно) используют один и тот же физический уровень FDDI, который предписывает длину волны 1300 нм.
Стандарт 100Base-SX
Основной мотивацией для разработки нового стандарта было обеспечение инкрементной миграции (и тем самым снижение стоимости) к Fast Ethernet для оптоволоконных сетей Ethernet предыдущего поколения. Как уже отмечалось выше, стандарт 100Base-FX не поддерживает длину волны 850 нм, что выглядит совершенно нелепо, так как оптические компоненты для технологий 10 и 100 Mbps совершенно идентичны. Это значит, что трансиверы для обеих технологий имеют примерно одинаковую стоимость при десятикратной разнице в поддерживаемых скоростях.
Предлагаемый стандарт 100Base-SX состоит из двух основных частей. Первая часть описывает подуровень, зависимый от физической среды передачи, — Physical Medium Dependent (PMD). Он предусматривает скорость передачи 100 Mbps и использование света с длиной волны 850 нм (номинально). Основные требования стандарта следующие:
тип оптоволокна — многомодовое, 50/125 или 62,5/125;
максимальное затухание — 3,75 дБ/км;
минимальная модальная полоса — 160 MHz на 1 км;
тип коннекторов — ST или SC;
минимальная дистанция — 500 м.
Вторая часть относится к сигнализации на физическом уровне (в смысле протокола), с помощью которой должен обеспечиваться режим автосогласования. Как и в случае для витой пары, эта часть является опциональной.
Вследствие дистанционных ограничений стандарт не рассматривается как решение для магистрали, хотя, конечно, ничто не препятствует его использованию для этой цели в случае небольших расстояний.
Первое голосование по предлагаемому стандарту (SP-4360) состоялось в TIA в конце февраля 1999 г. С этого момента каких-либо технических проблем не предвидится. Ратификация стандарта ожидается в конце этого года. Предлагаемый стандарт поддерживают более 25 компаний. Некоторые из них уже выпустили продукты, удовлетворяющие предварительной версии, многие находятся в процессе разработки. По очевидным причинам эта технология вряд ли найдет широкое применение в нашем регионе, однако те организации, которые в свое время установили сети 10Base-FL, могут значительно сэкономить, проявив необходимое терпение.
Физический уровень 100Base-FX - многомодовое оптоволокно, два волокна
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. При этом методе каждые 4 бита данных подуровня MAC 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 100Base-FX/TX.
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 100Base-FX и 100Base-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 UTP Cat 5 или STP Туре 1, две пары
В качестве среды передачи данных спецификация 100Base-TX использует кабель UTP категории 5 или кабель STP Type 1. Максимальная длина кабеля в обоих случаях - 100 м.
Основные отличия от спецификации 100Base-FX - использование метода MLT-3 для передачи сигналов 5-битовых порций кода 4В/5В по витой паре, а также наличие функции автопереговоров 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.
схема автопереговоров является стандартом технологии 100Base-T. определено 5 различных режимов работы, которые могут поддерживать устройства 100Base-TX или 100Base-T4 на витых парах:
10Base-T full-duplex - 2 пары категории 3;
100Base-TX - 2 пары категории 5 (или Type 1A STP);
100Base-T4 - 4 пары категории 3;
100Base-TX full-duplex - 2 пары категории 5 (или Type 1A STP).
Режим 10Base-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.
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 10Base-T и 10Base-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 100VG-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 100Base-TX и 100Base-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 не. 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.
Стандарт 100Base-TX имеет определенные ограничения на структуру сети, построенной в соответствии с ним.
В частности, стандарт вводит ограничение на длину сегмента сети в 100 метров (на самом деле эта длина ограничена 94 метрами, но мы здесь и далее будем использовать круглую цифру 100). То есть, вы можете подключить к коммутатору несколько компьютеров кабелями , длина каждого из которых составляет 100 метров.
В стандарте существует такое понятие, как домен коллизий – сегмент сети, все узлы которого способны распознать коллизию независимо от места в сети, где она произошла. Именно для того, чтобы узлы могли правильно распознавать коллизии, и вводится ограничение на длину кабелей .
Топологии локальных сетей
Топология – это способ связи нескольких компьютеров в сеть.
Простейшая топология локальной сети – это связь двух компьютеров. Такую сеть можно организовать и по стандартам Ethernet , соединив сетевые карты двух машин особым образом разведенным кабелем .
Итак, простейшая топология – это одна связь, соединяющая два узла сети. На такую топологию похожа кольцевая топология , все узлы которой соединены в кольцо. Данные в такой сети обычно передаются от компьютера к компьютеру в одном направлении. Еще одна топология носит название общая шина. Она свойственна устаревшим Ethernet -сетям, построенным на основе коаксиального кабеля .
В настоящий момент наибольшее распространение получила топология "звезда" (рис. 1.1.) - актуальна она и для Ethernet -сетей. В центре "звезды" находится хаб (коммутатор , концентратор, повторитель) от которого отходят провода, соединяющие его с компьютерами.
Рис. 1.1. Топология "звезда"
Звездообразная топология отличается от шинной повышенной надежностью. Если какая-нибудь связь в шинной топологии будет повреждена, то сеть будет разбита на два независимых сегмента. А повреждение кабеля при звездообразной организации сети ведет лишь к отключению от коммутатора одного из компьютеров.
Надо отметить, что коммутаторы (а также маршрутизаторы) могут объединяться, образуя таким образом топологию "иерархическая звезда" - несколько обычных "звезд", соединенных линиями связи.
Существуют и другие топологии . Например, для глобальных сетей характерна ячеистая топология , когда от одного узла сети связи могут идти к нескольким другим. Полный вариант ячеистой топологии – это полносвязная топология – когда каждый из узлов сети имеет интерфейсы для связи со всеми остальными.
Особенности выбора и эксплуатации оборудования
Выбор сетевого оборудования – это довольно просто. Надо лишь определиться с тем, какое оборудование вам нужно, а уже после этого подумать над бюджетом будущих покупок.
Для построения Ethernet -сети вам понадобится следующее оборудование:
1. Сетевые карты – по одной на каждый компьютер.
2. Коммутатор – устройство, к которому подключаются все кабели от сетевых карт компьютеров.
3. Кабели .
Теперь давайте поговорим обо всем этом подробнее.
Встроенные сетевые карты
Сетевая карта занимается передачей информации между компьютерами сети. Она принимает данные от компьютера, преобразует их в форму, подходящую для передачи по сети, отправляет в сеть, принимает данные от других компьютеров и, обработав их, передает в компьютер.
Прежде чем заниматься выбором сетевой карты , поинтересуйтесь – может быть в компьютерах, которые вы собираетесь объединять, уже есть сетевые карты . Часто их встраивают в материнские платы, встроенные карты есть в большинстве ноутбуков.
Для того, чтобы понять, есть ли в вашем ПК встроенная сетевая карта , поищите на его задней стенке (или, для ноутбуков – на боковой или задней поверхности компьютера) разъем, похожий на тот, который изображен на рис. 1.2.
Рис. 1.2. Разъем для подключения сетевого кабеля
Если такой разъем найден – это значит, что выбирать дополнительную сетевую карту вам, скорее всего, не нужно. Встроенные сетевые карты обеспечивают достаточный уровень производительности и подходят для нормальной работы в локальной сети. Некоторые материнские платы имеют встроенные сетевые карты стандарта Gigabit Ethernet .
Серверные карты
Если вы собираетесь использовать компьютер в роли сервера (особенно, если вы рассчитываете построить достаточно большую сеть – начиная с 5-8 компьютеров, и считаете, что нагрузка на ваш сервер будет достаточно большой – то есть, что компьютерам сети часто придется обращаться к нему), подумайте о специальной сетевой карте для серверов. Поищите такую карту в местных компьютерных магазинах – обычно серверные сетевушки стоят больше простых, но это – достойное вложение в вашу локальную сеть.
Скорость передачи данных в сетях, построенных по этому стандарту - 100 Мбит/c.
Логика работы сетей Fast Ethernet и Ethernet совершенно одинаковая. Все отличия лежат на физическом уровне построения сети.
В 10 раз увеличилась скорость передачи сигнала, значит, в 10 раз должен уменьшиться максимальный диаметр одного разделяемого сегмента (чтобы избежать в нём поздних коллизий).
Признаком свободного состояния среды в Fast Ethernet является передача специального символа простоя источника (а не отсутствие сигнала, как в стандарте классической Ethernet).
Коаксиальный кабель исключён из списка разрешённых сред передачи. Стандарт Fast Ethernet установил три спецификации:
– 100Base-TX - неэкранированная или экранированная витая пара (две пары в кабеле).
– 100Base-T4 - неэкранированная витая пара (четыре пары в кабеле).
– 100Base-FX - волоконно-оптический кабель (с двумя волокнами).
Максимальные длины для кабельных сегментов приводятся в таблице:
Таблица 1.6.2 Стандарты Fast Ethernet
Полудуплексный канал работает на передачу и приём по очереди, а дуплексный - одновременно.
Правило 4 хабов для Fast Ethernet превращается в правило одного или двух хабов (в зависимости от класса хаба).
100Base-tx
Среда передачи - 2 витых пары в одной общей оболочке.
100Base-t4
Среда передачи - 4 витых пары в одной общей оболочке.
Три пары используются для параллельной передачи сигнала со скоростью 33,3 Мбит/с (всего получается 100 Мбит/с), четвёртая пара всегда “слушает” сеть на предмет обнаружения коллизий.
100Base-fx
Среда передачи - оптоволоконный кабель с двумя волокнами.
Gigabit Ethernet
Скорость передачи данных в сетях, построенных по этому стандарту - 1000 Мбит/c.
Поддерживаются кабели, используемые в Fast Ethernet: волоконно-оптический, витая пара.
Для предотвращения поздних коллизий длина сегмента кабеля должна уменьшиться в 10 раз по сравнению со стандартом Fast Ethernet, но это было бы неприемлемо. Вместо этого в технологии Gigabit Ethernet увеличена длина минимального пакета с 64 байтов до 512 байт и, кроме того, разрешено передавать несколько пакетов подряд (общий размер - не более 8192 байт). Конечно, это увеличивает ожидание паузы для начала передачи, но на скорости 1000 Мбит/c эта задержка не слишком существенна.
Для поддержки заявленной скорости передачи, в технологии Gigabit Ethernet применяются и некоторые другие технические решения, но структура сети остаётся прежней:
– дерево разделяемых сред;
– для соединения узлов в одном домене коллизий используются хабы;
– коммутаторы и маршрутизаторы соединяют домены коллизий.
Скорость передачи данных в сетях, построенных по этому стандарту - 10 000 Мбит/c.
Технология построения сети 10G Ethernet принципиально отличается от других Ethernet-технологий.
Сети 10G Ethernet - это сети с коммутацией пакетов .
Если в сетях с разделяемыми средами пакет, переданный одной станцией, поступает на все другие станции, то в коммутируемых сетях пакет следует от передающей станции к станции назначения по маршруту, который уточняется по мере продвижения пакета от одного маршрутизатора к другому.
Сеть с разделяемыми средами, построенная только на хабах и коммутаторах, должна иметь строго иерархическую структуру: на схеме соединений не должно быть циклов.
Сеть, приведённая на рисунке 1.6.2, имеет иерархическую структуру. Между любыми двумя узлами существует ровно один путь, например, путь от А к Б пролегает через узлы: А–2–1–3–5–Б:
Рисунок 1.6.2 Сеть с иерархической структурой
На следующем рисунке 1.6.3 показана сеть с циклом. Между узлами А и Б теперь имеются два пути: А–2–1–3–5–Б и А–5–Б:
Рисунок 1.6.3 Сеть с циклом
Сети с коммутацией пакетов могут иметь ячеистую структуру, в которой между двумя станциями может существовать два и более вариантов прохождения пакета.
Ячеистые сети более надежны: если один маршрут перестаёт работать по техническим причинам, для доставки пакета выбирается другой.
Сети с коммутацией пакетов имеют бóльшую пропускную способность по сравнению с сетями на разделяемых средах (пакеты не транслируются во все стороны, а следуют строго к пункту назначения; станции передают, не дожидаясь тишины в сети).
В качестве проводящей среды в сетях 10G Ethernet используют оптоволоконный кабель и кабель с витыми парами.
Длина сегмента оптического кабеля может достигать 40 км, а длина сегмента витой пары - 100 м. Причина ограничения длины кабеля теперь не в поздних коллизиях (при коммутации пакетов коллизий не бывает), а в затухании сигнала при его прохождению по кабелю.