close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Gorbachev

код для вставкиСкачать
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное
образовательное учреждение высшего образования
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СЕТИ
Методические указания
по выполнению лабораторных работ
Санкт-Петербург
2016
Составитель – С. В. Горбачев
Рецензент – кандидат технических наук Ю. Д. Крылов
Содержатся методические указания для изучения проблем построения
больших локальных вычислительных сетей. Рассматриваются вопросы
проектирования структур ЛВС с использованием различного структурообразующего коммутационного оборудования и с учетом ограничений,
установленных в спецификациях физических интерфейсов сети Ethernet
и Fast Ethernet. Описываются методы структуризации, применяемые для
преодоления ограничений при построении больших ЛВС, особенности
реализации физической структуризации сети на основе повторителей и
концентраторов в соответствии со стандартом IEEE 802.3, определяющим
реализацию случайного метода доступа для моноканала типа «шина».
Детально рассматривается методики расчета конфигурации сети, определяющие условия для корректного функционирования сети с тоски зрения
обнаружения коллизий.
Главное внимание уделяется методам проектирования на основе логической структуризации, применяемым при построении ЛВС с коммутируемой средой. Приводятся основные сведения о принципах организации и
режимах работы мостов и коммутаторов, обеспечивающих сегментацию
сети при логической структуризации. Рассмотрены методики оценки пропускной способности коммутаторов, используемых в различных конфигурациях сети Fast Ethernet, и методики определения максимальной производительности сети с коммутируемой средой.
Предназначены для студентов по направлениям 09.03.01 – «Информатика и вычислительная техника», 11.03.04 – «Электроника и наноэлектроника», 09.04.01 – «Информатика и вычислительная техника», а также
для самостоятельного изучения вопросов проектирования вычислительных сетей.
Публикуется в авторской редакции.
Компьютерная верстка М. И. Дударева
Подписано к печати 12.02.2016. Формат 60 × 84 1/16.
Бумага офсетная. Усл. печ. л. 3,9. Тираж 50 экз. Заказ № 48.
Редакционно-издательский центр ГУАП
190000, Санкт-Петербург, Б. Морская ул., 67
© Санкт-Петербургский государственный
университет аэрокосмического
приборостроения, 2016
Введение
Ethernet – это самая распространенная на сегодняшний день технология, применяемая для построения локальных вычислительных
сетей (ЛВС). В широком смысле Ethernet – это целое семейство технологий, включающее различные фирменные и стандартные варианты, из которых наиболее известны фирменный вариант Ethernet DIX,
10-мегабитные варианты стандарта IEEE 802.3, а также более скоростной технологии Fast Ethernet, а также высокоскоростной Gigabit
Ethernet. Почти все виды технологий Ethernet используют один и тот
же метод разделения среды передачи данных – метод случайного доступа CSMA/CD (множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий – МДКН/ОК), который специфицируется в международном стандарте применительно к сети с шинной структурой, но
определяет облик технологии в целом.
В узком смысле Ethernet – это ЛВС с общей шиной и пропускной
способностью 10 Мбит/с, технология построения которой описана
в стандарте IEEE 802.3.
Центральным явлением в сетях Ethernet является коллизия –
ситуация, когда два компьютера, являющиеся станциями ЛВС, одновременно пытаются передать свои кадры данных по общей разделяемой среде – шине. Наличие коллизий – это неотъемлемое свойство сетей Ethernet, являющееся следствием принятого случайного
метода доступа. Возможность четкого распознавания коллизий обусловлена правильным выбором параметров сети, в частности соблюдением соотношения между минимальной длиной кадра и максимально возможным диаметром сети.
На характеристики производительности сети большое значение
оказывает коэффициент использования сети, который отражает
ее загруженность. При значениях этого коэффициента свыше 50%
полезная пропускная способность сети резко падает: из-за роста
интенсивности коллизий, а также увеличения времени ожидания
доступа к среде. Минимальная пропускная способность сегмента
Ethernet в кадрах в секунду получается при передаче кадров минимальной длины в 64 байта и составляет 14880 кадр/с. При этом полезная пропускная способность сети составляет всего 5,48 Мбит/с,
3
что лишь ненамного превышает половину номинальной пропускной способности – 10 Мбит/с.
Максимально возможная полезная пропускная способность сети Ethernet составляет 9,75 Мбит/с, что соответствует использованию кадров максимальной длины в 1518 байт, которые передаются
по сети со скоростью 513 кадр/с.
При отсутствии коллизий и ожидания доступа коэффициент
использования сета зависит от размера поля данных кадра и имеет
максимальное значение 0,96.
Технология Ethernet поддерживает 4 разных типа кадров, которые имеют общий формат адресов узлов. Существуют формальные
признаки, по которым сетевые адаптеры автоматически распознают тип кадра.
В зависимости от типа физической среды стандарт IEEE 802.3
определяет различные спецификации: 10Base-5, 10Base-2, 10Base-T,
FOIRL, 10Base-FL 10Base-FB. Для каждой спецификации определяются тип кабеля, максимальные длины непрерывных отрезков кабеля, а также правила использования концентраторов (многопортовых
повторителей) для увеличения диаметра сети: правило «5-4-3» для
коаксиальных вариантов сетей и правило «4-х концентраторов» для
витой пары и оптоволокна. Использование повторителей и концентраторов позволяет осуществить так называемую физическую структуризацию ЛВС, при которой сеть представляет собой единую разделяемую среду [1].
Для сети, состоящей из физических сегментов различного типа,
полезно проводить расчет общей длины сети и допустимого количества повторителей. В спецификации IEEE 802.3 определяются закономерности, соблюдение которых обеспечивает правильное функционирование сети типа «случайная шина». В методических указаниях приводятся исходные данные, необходимые для таких расчетов,
в которых указываются задержки, вносимые повторителями различных спецификаций физической среды, сетевыми адаптерами и
сегментами кабеля.
Под логической структуризацией сети понимается разбиение
общей разделяемой среды на логические сегменты, которые представляют самостоятельные разделяемые среды с меньшим количеством узлов. Сеть, разделенная на логические сегменты, обладает
более высокой производительностью и надежностью. Взаимодействие между логическими сегментами организуется с помощью мостов и коммутаторов.
4
1. Методика расчета конфигурации ЛВС Ethernet
1.1. Метод доступа CSMA/CD
В сетях Ethernet используется метод доступа к среде передачи
данных, называемый методом множественного доступа с распознаванием несущей и обнаружением коллизий (CSMA/CD – CarrierSense Multiple Access with Collision Detection).
Этот метод применяется исключительно в сетях с логической общей шиной (к которым относятся и радиосети, породившие этот метод). Все компьютеры такой сети имеют непосредственный доступ
к общей шине, поэтому она может быть использована для передачи
данных между любыми двумя узлами сети одновременно все компьютеры сети имеют возможность немедленно (с учетом задержки
распространения сигнала по физической среде) получать данные,
которые любой из компьютеров начал передавать на общую шину (рис. 1). Простота схемы подключения – это один из факторов,
определивших успех стандарта Ethernet. Говорят, что кабель, к которому подключены все станции, работает в режиме множественного доступа (MA – Multiple Access).
1.1.1. Этапы доступа к среде
Все данные, передаваемые по сети, помещаются в кадры определенной структуры и снабжаются уникальным адресом станции
назначения.
Чтобы получить возможность передавать кадр, станция должна убедиться, что разделяемая среда свободна. Это достигается прослушиванием основной гармоники сигнала, которая также называется несущей
частотой (CS – Carrier-Sense). Признаком незанятости среды передачи
является отсутствие в ней несущей частоты, которая при манчестерском способе кодирования равна 5-10 МГц, в зависимости от последовательности единиц и нулей, передаваемых в данный момент.
Если среда свободна, то узел имеет право начать передачу кадра.
Этот кадр изображен на рис. 1 первым. Узел 1 обнаруживает, что среда свободна, и начинает передачу своего кадра. В классической сети
Ethernet на коаксиальном кабеле сигналы передатчика узла 1 распространяются в обе стороны, так что все узлы сети их получают. Кадр
с данными всегда сопровождается преамбулой (preamble), которая состоит из семи байтов, имеющих значение 10101010, и 8-го байта, равного 10101011. Преамбула должна обеспечить вхождение приемника
в побитную и побайтовую синхронизацию с передатчиком.
Все станции, подключенные к кабелю, могут распознать факт
передачи кадра, и та станция, которая распознает свой адрес в за5
IPG? 9,6 мкс
Общая
шина
1
Jam-последовательность
при коллизии
3
3
1
Случайная
пауза
…
1
t
Прослушивание
Передача
Узел 1
Передача
t
…
Узел 3
Передача
Ожидание Передача
Передача
Ожидание
t
Рис. 1. Метод случайного доступа CSMA/CD
головке кадра, записывает его содержимое в свой внутренний буфер, обрабатывает полученные данные, передает на более высокий
уровень своего стека протоколов, а затем посылает по кабелю кадрответ. Адрес станции-источника содержится в исходном кадре, поэтому станция-получатель знает, кому нужно послать ответ.
Узел 3 во время передачи кадра узлом 1 также пытался начать
передачу своего кадра, однако обнаружил, что среда занята – на ней
присутствует несущая частота, – поэтому узел 3 вынужден ждать,
пока узел 1 не прекратит передачу кадра.
После окончания передачи кадра все узлы сети обязаны выдержать технологическую паузу (Inter Packet Gap) не менее чем
9,6 мкс. Эта пауза, называемая также межкадровым интервалом, нужна для приведения сетевых адаптеров в исходное состояние, а также для предотвращения монопольного захвата среды
одной станцией. После окончания технологической паузы узлы
имеют право начать передачу своего кадра, так как среда свободна. Из-за задержек распространения сигнала по кабелю не все
узлы строго одновременно фиксируют факт окончания передачи
кадра узлом 1.
В приведенном примере узел 3 дождался окончания передачи кадра узлом 1, сделал паузу в 9,6 мкс и начал передачу своего кадра.
1.1.2. Возникновение коллизии
При описанном подходе возможна ситуация, когда две станции
одновременно пытаются передать кадр данных по общей среде. Ме6
ханизм прослушивания среды и пауза между кадрами не гарантируют от возникновения такой ситуации, когда две или более станции одновременно решают, что среда свободна, и начинают передавать свои кадры. Говорят, что при этом происходит коллизия (см.
рис.1), так как содержимое обоих кадров сталкивается на общем
кабеле и происходит искажение информации – методы кодирования, используемые в Ethernet, не позволяют выделять сигналы
каждой станции из общего сигнала.
Заметим, что этот факт отражен в составляющей «Base(band)»,
присутствующей в названиях всех физических протоколов технологии Ethernet (например, 10Base-2, 10Base-T и т. п.). Baseband
network означает сеть с немодулированной передачей, в которой
сообщения пересылаются в цифровой форме по единственному каналу, без частотного разделения.
Коллизия – это нормальная ситуация в работе сетей Ethernet.
В примере, изображенном на рис.1, коллизию породила одновременная передача данных узлами 3 и 1. Для возникновения коллизии не обязательно, чтобы несколько станций начали передачу
абсолютно одновременно, такая ситуация маловероятна. Гораздо
вероятней, что коллизия возникает из-за того, что один узел начинает передачу раньше другого, но, до второго узла сигналы первого
просто не успевают дойти к тому времени, когда второй узел ;решает начать передачу своего кадра. Иными словами, коллизии – это
следствие распределенного характера сети.
Чтобы, корректно обработать коллизию, все станции одновременно наблюдают за возникающими на кабеле сигналами. Если передаваемые и наблюдаемые сигналы отличаются, то фиксируется обнаружение коллизии (CD – collision detection). Для увеличения вероятности скорейшего обнаружения коллизии всеми станциями сети
станция, которая обнаружила коллизию, прерывает передачу своего
кадра (в произвольном месте, возможно, и не на границе байта) и
усиливает ситуацию коллизии посылкой в сеть специальной последовательности из 32 бит, называемой jam-последовательностью.
После этого обнаружившая коллизию передающая станция обязана прекратить передачу и сделать паузу в течение короткого случайного интервала времени. Затем она может снова предпринять
попытку захвата среды и передачи кадра.
1.2. Определение домена коллизий
В табл.1 и табл. 2 сведены основные ограничения и характеристики стандартов Ethernet.
7
Таблица 1
Общие ограничения для всех стандартов Ethernet
Номинальная пропускная способность
10 Мбит/с
Максимальное число станций в сети
1024
Максимальное расстояние между узлами
в сети
2500 м
(в 10Base-FB 2740 м)
Максимальное число коаксиальных
сегментов в сети
5
Таблица 2
Параметры спецификаций физического уровня для стандарта Ethernet
10Base-5
10Base-2
10Base-T
10Base-F
Кабель
Толстый
коаксиальный
кабель
RG-8 или
RG-11
Тонкий
коаксиальный
кабель
RG-58
Неэкранированная витая
пара
категорий
3,4, 5
Многомодовый волоконно-оптический кабель
Максимальная
длина сегмента, м
500
185
100
2000
2500
925
500
2500 (2740
для 10BaseFB)
100
30
1024
1024
4
4
4
4 (5 для для
10Base-FB)
Максимальное
расстояние между
узлами сети (при
использовании повторителей), м
Максимальное
число станций
в сегменте
Максимальное
число повторителей между любыми станциями сети
Физические спецификации технологии Ethernet включают,
в основном, следующие среды передачи данных [2]:
10Base-5 – коаксиальный кабель диаметром 0,5 дюйма, называемый «толстым» коаксиалом. Имеет волновое сопротивление 50 Ом.
Максимальная длина сегмента—500 метров (без повторителей).
8
10Base-2 – коаксиальный кабель диаметром 0,25 дюйма, называемый «тонким» коаксиалом. Имеет волновое сопротивление
50 Ом. Максимальная длина сегмента – 185 метров (без повторителей).
10Base-T – кабель на основе неэкранированной витой пары
(UTP –Unshielded Twisted Pair). Образует звездообразную топологию на основе концентратора. Расстояние между концентратором
и конечным узлом – не более 100 м.
10Base-F – волоконно-оптический кабель. Топология аналогична топологии стандарта 10Base-T. Имеется несколько вариантов
этой спецификации – FOIRL (расстояние до 1000 м), 10Base-FL
(расстояние до 2000 м), 10Base-FB (расстояние до 2000 м).
Число 10 в указанных выше названиях обозначает битовую скорость передачи данных этих стандартов – 10 Мбит/с, а слово Base –
метод передачи на одной базовой частоте 10 МГц (в отличие от методов, использующих несколько несущих частот, которые называются Broadband – широкополосными). Последний символ в названии
стандарта физического уровня обозначение тип кабеля.
В технологии Ethernet, независимо от применяемого стандарта
физического уровня, существует понятие домена коллизий.
Домен коллизий – это часть сети Ethernet, все узлы которой распознают коллизию независимо от того, в какой части этой сети коллизия возникла. ЛВС Ethernet, построенная на концентраторах, не
должна иметь замкнутых контуров и всегда образует один домен
Концентратор 1
10Base-FL
Концентратор 2
10Base-T
10Base-T
10Base-T
10Base-FB
Концентратор 3
10Base-T
Концентратор 4
10Base-T
Вся сеть является
доменом коллизии
Рис. 2. Соединение концентраторов Ethernet
без замкнутых контуров
9
коллизий, так как домен коллизий соответствует одной разделяемой среде. Мосты, коммутаторы и маршрутизаторы делят сеть
Ethernet на несколько логических сегментов, т.е. на несколько разделяемых сред, в каждой из которых одновременно могут иметь место разные коллизии [1]. В этом смысле домен коллизий совпадает
с логическим сегментом.
Приведенная на рис. 2 ЛВС имеет древовидную структуру и
представляет собой один домен коллизий.
Если, например, столкновение кадров произошло в концентраторе 4, то в соответствии с логикой работы концентраторов 10Base-T
сигнал коллизии распространится по всем портам всех концентраторов. Зафиксировав сигнал коллизии, источники, чьи кадры попали в коллизию, прекращают передачу своих кадров, чтобы попытаться передать их повторно через случайный интервал времени.
Узлы, образующие один домен коллизий, работают синхронно,
как единая распределенная электронная схема.
1.3. Время двойного оборота и распознавание коллизий
Четкое распознавание коллизий всеми станциями сети является необходимым условием корректной работы сети Ethernet.
Если какая-либо передающая станция не распознает коллизию и
решит, что кадр данных ею передан верно, то этот кадр данных будет утерян. Из-за наложения сигналов при коллизии информация
кадра исказится, и он будет отбракован принимающей станцией
(возможно, из-за несовпадения контрольной суммы). Скорее всего, искаженная информация будет повторно передана каким-либо
протоколом верхнего уровня, например транспортным или прикладным, работающим с установлением соединения. Но повторная
передача сообщения протоколами верхних уровней произойдет через значительно более длительный интервал времени (иногда даже через несколько секунд) по сравнению с микросекундными интервалами, которыми оперирует протокол Ethernet. Поэтому если
коллизии не будут надежно распознаваться узлами сети Ethernet,
то это приведет к заметному снижению полезной пропускной способности данной ЛВС.
Для надежного распознавания коллизий должно выполняться
следующее соотношение:
Tmin > PDV,
где Tmin – время передачи кадра минимальной длины, a PDV –
время, за которое сигнал коллизии успевает распространиться до
самого дальнего узла ЛВС. Так как в худшем случае сигнал должен
10
пройти дважды между наиболее удаленными друг от друга станциями сети (в одну сторону проходит неискаженный сигнал, то есть
биты передаваемого кадра, а на обратном пути распространяется
уже искаженный коллизией сигнал), то это время называется временем двойного оборота (PDV –Path Delay Value).
При выполнении этого условия передающая станция должна
успевать обнаружить коллизию, которую вызвал переданный ее
кадр, еще до того, как она закончит передачу этого кадра.
Очевидно, что выполнение этого условия зависит, с одной стороны, от длины минимального кадра и пропускной способности сети,
а с другой стороны, от длины кабельной системы сети и скорости
распространения сигнала в кабеле (для разных типов кабеля эта
скорость несколько отличается).
Все параметры протокола Ethernet подобраны таким образом,
чтобы при нормальной работе узлов сети коллизии всегда четко
распознавались. При выборе параметров, конечно, учитывалось и
приведенное выше соотношение, связывающее между собой минимальную длину кадра и максимальное расстояние между станциями в сегменте сети.
В стандарте Ethernet принято, что минимальная длина поля данных кадра составляет 46 байт (что вместе со служебными полями
дает минимальную длину кадра 64 байт, а вместе с преамбулой – 72
байт или 576 бит). Отсюда может быть определено ограничение на
расстояние между станциями.
Итак, в 10-мегабитном Ethernet время передачи кадра минимальной длины, а точнее говоря – время выдачи кадра в канал, равно 575 битовых интервалов, следовательно, время двойного оборота должно быть меньше 57,5 мкс, поскольку для сети 1bt=0,1 мкс.
Расстояние, которое сигнал может пройти за это время, зависит от
типа кабеля и для толстого коаксиального кабеля равно примерно 13280 м. Учитывая, что за это время сигнал должен пройти по
линии связи дважды, расстояние между двумя узлами не должно
быть больше 6635 м. В стандарте величина этого расстояния выбрана существенно меньше и равна 2500 м, с учетом других, более
строгих ограничений.
Одно из таких ограничений связано с предельно допустимым затуханием сигнала. Для обеспечения необходимой мощности сигнала при его прохождении между наиболее удаленными друг от друга станциями сегмента кабеля максимальная длина непрерывного
сегмента толстого коаксиального кабеля с учетом вносимого им затухания выбрана в 500 м. Очевидно, что на кабеле длиной 500 м ус11
ловия распознавания коллизий будут выполняться с большим запасом для кадров любой стандартной длины, в том числе и 72 байт
(время двойного оборота по кабелю 500 м составляет всего 43,3
битовых интервала). Поэтому минимальная длина кадра могла бы
быть установлена еще меньше. Однако разработчики технологии
не стали уменьшать минимальную длину кадра, имея в виду многосегментные сети, которые строятся из нескольких физических сегментов, соединенных повторителями.
Повторители увеличивают амплитуду и мощность передаваемых из сегмента в сегмент сигналов, в результате затухание сигналов уменьшается и можно использовать сеть гораздо большей длины, состоящую из нескольких физических сегментов – отрезков
коаксиала. В коаксиальных реализациях Ethernet разработчики
ограничили максимальное количество физических сегментов в сети пятью, что в свою очередь ограничивает общую длину сети 2500
метрами. Даже в такой многосегментной сети условие обнаружения
коллизий по-прежнему выполняется с большим запасом (можно
сравнить полученное из условия допустимого затухания расстояние
в 2500 м с вычисленным выше максимально возможным по времени
распространения сигнала расстоянием 6635 м). Однако в действительности временной запас является существенно меньше, поскольку
в многосегментных сетях сами повторители вносят в распространение
сигнала дополнительную задержку в несколько десятков битовых интервалов. Естественно, небольшой запас был сделан также для компенсации отклонений параметров кабеля и повторителей.
В результате учета всех этих и некоторых других факторов было тщательно подобрано соотношение между минимальной длиной
кадра и максимально возможным расстоянием между станциями
сети, которое обеспечивает надежное распознавание коллизий. Это
расстояние называют также максимальным диаметром сети.
В табл. 3 приведены значения основных параметров процедуры
передачи кадра стандарта 802.3, которые не зависят от реализации
физической среды.
Таблица 3
Параметры уровня MAC Ethernet
12
Параметры
Значения
Битовая скорость
10 Мбит/с
Интервал отсрочки
512 битовых интервала
Межкадровый интервал (IPG)
9,6 мкс
Окончание табл. 3
Параметры
Значения
Максимальное число попыток передачи
16
Максимальное число возрастания
диапазона паузы
10
Длина jam-последовательности
32 бита
Максимальная длина кадра
(без преамбулы)
1518 байт
Минимальная длина кадра
(без преамбулы)
64 байт (512 бит)
Длина преамбулы
64 бит
Минимальная длина случайной паузы
после коллизии
0 битовых интервалов
Максимальная длина случайной паузы
после коллизии
524000 битовых интервала
Максимальное расстояние между
станциями сети
2500м
Максимальное число станций в сети
1024
Важно отметить, что каждый вариант физической среды технологии Ethernet добавляет к этим ограничениям свои, часто более
строгие ограничения, которые должны выполняться и которые будут рассмотрены ниже.
С увеличением скорости передачи кадров, что имеет место в более поздних стандартах, базирующихся на том же методе доступа CSMA/CD, например Fast Ethernet, максимальное расстояние
между станциями сети уменьшается пропорционально увеличению скорости передачи. В стандарте Fast Ethernet оно составляет
около 200 м, а в стандарте Gigabit Ethernet оно было бы ограничено
25 метрами, если бы разработчики стандарта не предприняли некоторых мер по увеличению минимального размера кадра.
1.4. Общие характеристики стандартов
Ethernet 10 Мбит/с
1.4.1. Ограничения при использовании коаксиальных кабелей
Соблюдение многочисленных ограничений, установленных для
различных стандартов физического уровня сетей Ethernet, гарантирует корректную работу сети (естественно, при исправном состоянии всех элементов физического уровня).
13
Нагруженный
сегмент
Трансивер
Нагруженный
сегмент
Нагруженный
сегмент
Терминатор
50 Ом
Повторитель
Кабель RG8
или RG 11
Повторитель
Разъем
DB -15
1
99
1
99
Рис. 3. ЛВС на основе спецификации 10Base-5
Наиболее часто приходится проверять ограничения, связанные
с длиной отдельного сегмента кабеля, а также количеством повторителей и общей длиной сети.
Толстый коаксиальный кабель используется как моноканал для
всех станций. Пример структуры сети Ethernet, построенной по
спецификации 10Base-5, показан на рис. 3.
Сегмент кабеля на основе 10Base-5 имеет максимальную длину
500 м (без повторителей) и должен иметь на концах согласующие
терминаторы сопротивлением 50 Ом. Использование терминаторов обеспечивает работоспособность каждого отдельного физического отрезка коаксиального кабеля, поскольку препятствует возникновению отраженных сигналов и и обеспечивает поглощение
распространяющихся по кабелю сигналов. При отсутствии терминаторов сигнал будет отражаться от «открытого» конца кабеля
в противофазе и в кабеле возникают стоячие волны, так что одни
узлы получают мощные сигналы, а другие – настолько слабые, что
их прием становится невозможным.
Подключенный терминатор с сопротивлением 50 Ом поглощает сигнал при протекании через него тока между медной жилой и
заземленной оплеткой (экраном) коаксиального кабеля. Так как
коаксиальный кабель для передачи цифрового сигнала имеет волновое сопротивление, равное 50 Ом, то сигнал в терминаторе поглощается полностью.
Трансивер соединяется с сетевым адаптером интерфейсным кабелем AUI (Attachment Unit Interface) длиной до 50 м, состоящим
из 4 витых пар (адаптер должен иметь разъем AUI). Наличие стан14
дартного интерфейса между трансивером и остальной частью сетевого адаптера очень полезно при переходе с одного типа кабеля на
другой. Для этого достаточно только заменить трансивер, а остальная часть сетевого адаптера остается неизменной, так как она отрабатывает протокол уровня MAC. При этом необходимо только,
чтобы новый трансивер (например, трансивер для витой пары) поддерживал стандартный интерфейс AUI. Для присоединения к интерфейсу AUI используется разъем DB-15.
Допускается подключение к одному сегменту не более 100 трансиверов, причем расстояние между подключениями трансиверов
не должно быть меньше 2,5 м. На кабеле имеется разметка через
каждые 2,5 м, которая обозначает точки подключения трансиверов. При подсоединении компьютеров в соответствии с разметкой
влияние стоячих волн в кабеле на сетевые адаптеры сводится к минимуму.
Трансивер – это часть сетевого адаптера, которая выполняет следующие функции:
– прием и передача данных с кабеля на кабель;
– определение коллизий на кабеле с помощью детектора коллизий;
– электрическая развязка с помощью развязывающих элементов между кабелем и остальной частью адаптера;
– защита кабеля от некорректной работы адаптера.
Последнюю функцию иногда называют «контролем болтливости», что является буквальным переводом соответствующего английского термина (jabber control). При возникновении неисправностей в адаптере может возникнуть ситуация, когда на кабель будет
непрерывно выдаваться последовательность случайных сигналов.
Так как кабель – это общая среда для всех станций, то работа сети
будет заблокирована одним неисправным адаптером. Чтобы этого не
случилось, на выходе передатчика ставится схема, которая проверяет время передачи кадра. Если максимально возможное время передачи кадра превышается (с некоторым запасом), то эта схема просто
отсоединяет выход передатчика от кабеля. Максимальное время передачи кадра (вместе с преамбулой) равно 1221 мкс, а время jabberконтроля устанавливается равным 4000 мкс (4 мс).
Детектор коллизий трансивере определяет наличие коллизии в коаксиальном кабеле по повышенному уровню постоянной составляющей сигналов. Если постоянная составляющая превышает определенный порог (около 1,5 В), значит, на кабель работает более одного
передатчика. Развязывающие элементы обеспечивают гальваническую развязку трансивера от остальной части сетевого адаптера и тем
15
самым защищают адаптер и компьютер от значительных перепадов
напряжения, возникающих на кабеле при его повреждении.
Спецификация 10Base-2 определяет использование в качестве
передающей среды коаксиального кабеля с диаметром центрального медного провода 0,89 мм и внешним диаметром около 5 мм
(«тонкий» Ethernet). Кабель имеет волновое сопротивление 50
Ом. Такими характеристиками обладают кабели марок RG-58 /U,
RG-58 A/U, RG-58 C/U. Типичный пример сети Ethernet 10Base-2,
состоящей из одного сегмента кабеля, показан на рис. 4.
Максимальная длина сегмента без повторителя составляет
185 м, сегмент должен иметь согласующие терминаторы 50 Ом.
Тонкий коаксиальный кабель дешевле толстого, из-за чего сети
10Base-2 расплачиваются качеством – «тонкий» коаксиал обладает худшей помехозащищенностью, худшей механической прочностью и более узкой полосой пропускания.
Станции подключаются к кабелю с помощью высокочастотного
BNC T-разъема (коннектора), который представляет собой тройник, один отвод которого соединяется непосредственно с сетевым
адаптером, а два других – с двумя концами разрыва кабеля. Максимальное количество станций, подключаемых к одному сегменту,
рано 30. Минимальное расстояние между станциями – 1 м. Тонкий
коаксиальный кабель имеет разметку для подключения компьютеров с шагом 1 м.
Стандарт 10Base-2 очень близок к стандарту 10Base-5. Но трансиверы в нем объединены с сетевыми адаптерами за счет того, что
Физический сегмент сети
до 185 м
Кабель RG58 C/U
Терминатор 50 Ом
BNC T-коннектор
1
9
30
Рис. 4. Физический сегмент ЛВС на основе спецификации 10Base-2
16
более гибкий тонкий коаксиальный кабель может быть подведен
непосредственно к выходному разъему на плате сетевого адаптера,
вставленного в материнскую плату компьютера. Кабель в данном
случае «висит» на сетевом адаптере, что затрудняет физическое
перемещение компьютеров.
Реализация этого стандарта на практике приводит к наиболее
простому решению для кабельной сети, так как для соединения
компьютеров требуются только сетевые адаптеры, Т-коннекторы и
терминаторы 50 Ом. Однако этот вид кабельных соединений наиболее сильно подвержен авариям и сбоям: кабель более восприимчив
к помехам, чем «толстый» коаксиал, в моноканале имеется большое количество механических соединений (каждый Т-коннектор
дает три механических соединения, два из которых являются жизненно важными для всей сети).
Общим недостатком стандартов 10Base-5 и 10Base-2 является
отсутствие оперативной информации о состоянии моноканала. Повреждение кабеля обнаруживается сразу же (сеть перестает работать), но для поиска отказавшего отрезка кабеля необходим специальный прибор – кабельный тестер.
1.4.2. Условия корректной работы 10 мегабитной
сети Ethernet
Условия правильной работы для ЛВС Ethernet, построенной
с использованием коаксиальных кабелей различных типов, называют правилом «5–4–3». В соответствии с этим правилом в ЛВС
Ethernet 10Base-5 должны выполняться следующие условия:
в ЛВС не должно быть более 5 сегментов, 4-х повторителей, 3-х нагруженных сегментов [3]. Последнее требование объясняется тем,
что повторитель может устойчиво работать, когда у него нагруженным является только один из двух физических сегментов, подключенных к его портам.
Повторитель служит для объединения в одну сеть нескольких
сегментов кабеля и увеличения тем самым общей длины сети. Повторитель принимает сигналы из одного сегмента кабеля и побитно
синхронно повторяет их в другом сегменте, улучшая форму и мощность импульсов, а также синхронизируя импульсы. Повторитель
состоит из двух (или нескольких) трансиверов, которые присоединяются к сегментам кабеля, а также блока повторения со своим тактовым генератором. Для лучшей синхронизации передаваемых бит повторитель добавляет несколько бит к преамбуле кадра, что приводит
к уменьшению межкадрового интервала IPG, а также задерживает
17
передачу нескольких первых бит преамбулы кадра, за счет чего увеличивается задержка передачи кадра из сегмента в сегмент.
Ограниченное число повторителей объясняется дополнительными задержками распространения сигнала, которые они вносят.
Применение повторителей увеличивает время двойного распространения сигнала, которое для надежного распознавания коллизий не должно превышать время передачи кадра минимальной
длины, т. е. кадра в 72 байт или 576 бит.
К нагруженным сегментам можно подключить не более 99 узлов (следует учитывать, что еще повторитель подключается к сегменту). Максимальное число конечных узлов в ЛВС стандарта
10Base-5, таким образом, составляет 297 узлов.
Спецификация 10Base-2 также предусматривает использование
повторителей, применение которых должно соответствовать правилу «5-4-3». В этом случае сеть будет иметь максимальную длину,
равную 185 х 5 = 925 м. Очевидно, что это ограничение является
более сильным, чем ограничение в 2500 м для сети 10Base-5.
Для правильного построения сети Ethernet надо соблюсти много
ограничений, причем некоторые из них относятся к одним и тем же
параметрам сети, например, максимальная длина или максимальное
количество компьютеров в сети должны удовлетворять одновременно
нескольким разным условиям. Корректная сеть Ethernet должна соответствовать всем требованиям, но на практике необходимо удовлетворить только наиболее жесткие. Так, если в сети Ethernet не должно
быть более 1024 узлов, а стандарт 10Base-2 ограничивает число нагруженных сегментов тремя, то общее количество узлов в сети 10Base-2
не должно превышать 29 х 3 = 87. Таким образом, менее жесткое ограничение в 1024 конечных узлов в этой сети никогда не достигается.
При создании ЛВС Ethernet по стандарту 10Base-T правило «5-4-3»
заменяется другими ограничениями, которые носят название «правила четырех концентраторов». Для обеспечения синхронизации станций
при реализации процедур доступа CSMA/CD и надежного распознавания станциями коллизий в стандарте в стандарте 10Base-T определено
максимально число концентраторов между любыми двумя станциями
сети, которое не должно превышать четырех.
Правила «5-4-3» для коаксиальных сетей и «4-х концентраторов» для ЛВС на основе витой пары и оптоволокна не только дают
гарантии работоспособности сети, но и оставляют большой «запас
надежности» сети. Например, если посчитать время двойного оборота в ЛВС, состоящей из 4-х повторителей 10Base-5 и 5-ти сегментов максимальный длины 500 м, то окажется, что оно составляет
18
537 битовых интервала. А так как время передачи кадра минимальной длины, состоящего вместе с преамбулой 72 байт, равно 575 битовым интервалам, то видно, что разработчики стандарта Ethernet
оставили 38 битовых интервалов в качестве запаса для надежности.
Тем не менее, комитет 802.3 говорит, что и четыре дополнительных
битовых интервалов создают достаточный запас надежности.
Комитет IEEE 802.3 приводит исходные данные о задержках,
вносимых повторителями и различными средами передачи данных, для тех специалистов, которые хотят самостоятельно рассчитывать максимальное количество повторителей и максимальную
общую длину сети, не довольствуясь теми значениями, которые
приведены в правилах «5-4-3» и «4-х концентраторов». Особенно
такие расчеты полезны для сетей, состоящих из смешанных кабельных систем, например, коаксиала и оптоволокна, на которые
правила о количестве концентраторов (повторителей) не рассчитаны. При этом максимальная длина каждого отдельного физического сегмента должна строго соответствовать стандарту, т. е. 500 м
для «толстого» коаксиала, 100 м для витой пары и т. д.
Чтобы ЛВС Ethernet, состоящая из сегментов различной физической природы, работала корректно, необходимо выполнение четырех основных условий:
– количество станций в сети не более 1024;
– максимальная длина каждого физического сегмента не более
величины, определенной в соответствующем стандарте физического уровня;
– время двойного оборота сигнала (Path Delay Value – PDV) между двумя самыми удаленными друг от друга станциями сети не более 575 битовых интервалов1;
– сокращение межкадрового интервала IPG (Path Variability
Value – PVV) при прохождении последовательности кадров через
все повторители должно быть не больше, чем 49 битовых интервала. PVV образуется за счет того, что каждый повторитель перед
преамбулой передаваемого кадра добавляет свои биты меандра
(1010…), что приводит фактически к увеличению длины каждого
кадра и пропорциональному сокращению IPG. Так как при отправке кадров конечные узлы обеспечивают начальный межкадровый
интервал IPG не менее 96 битовых интервалов, то после прохождения повторителя оно должно быть не меньше, чем 96 – 49 = 47
1 Следует отметить, что величина битового интервала для 10 мегабитной ЛВС
Ethernet равна
19
9,6 мкс
47 bt
57,5 мкс
49 bt
8
14
46
4
49 bt
72 байта
t
Рис. 5. Последовательность кадров минимальной длины протокола
Ethernet после прохождения через четыре повторителя
битовых интервала, что обеспечивает возможность приемникам на
другом конце сети правильно принимать последовательности кадров, достоверно различая их границы, как показано на рис. 5.
Соблюдение этих требований обеспечивает корректность работы
сети даже в случаях, когда нарушаются простые правила конфигурирования, определяющие максимальное количество повторителей и общую длину сети в 2500 м.
1.4.3. Расчет времени двойного оборота
сигнала коллизии PDV
Для упрощения расчетов обычно используются справочные данные IEEE, содержащие значения задержек распространения сигналов в повторителях, приемопередатчиках и различных физических
средах. В табл. 4 приведены данные, необходимые для расчета значения PDV для всех физических стандартов сетей Ethernet. Битовый интервал обозначен как bt.
Комитет 802.3 старался максимально упростить выполнение
расчетов, поэтому данные, приведенные в таблице, включают сразу несколько этапов прохождения сигнала. Например, задержки,
вносимые повторителем, состоят из задержки входного трансивера, задержки блока повторения и задержки выходного трансивера.
Тем не менее, в таблице все эти задержки представлены одной величиной, названной базой сегмента.
Чтобы не нужно было два раза складывать задержки, вносимые
кабелем, в таблице даются удвоенные величины задержек для каждого типа кабеля.
В табл. 4 используются также такие понятия, как сегмент 1-го
источника, сегмент 2-го источника и промежуточный сегмент. Поясним эти термины на примере ЛВС, приведенной на рис. 6.
Сегмент, в котором находится компьютер, первым начинающий
передачу своего кадра, называется сегментом первого источника.
В этом левом сегменте 1 на рис. 4 в качестве первого источника
выбирается компьютер, наиболее удаленный от противоположного крайне правого сегмента сети (сегмента 6 на рис.6). В нашем
20
Таблица 4
Данные для расчета значения PDV
Тип
сегмента
База
сегмента
первого источника, bt
База промежуточного
сегмента, bt
База
сегмента
второго
источника,
bt
Задержка среды
на 1м, bt
Максимальная
длина сегмента, м
10Base-5
11.8
46,5
169,5
0,0866
500
10Base-2
11,8
46,5
169,5
0,1026
185
10Base-T
15,3
42,0
165,0
0,113
100
10Base-FB
–
24,0
–
0,1
2000
10Base-FL
12,3
33,5
156,5
0,1
2000
7,8
29,0
152,0
0,1
1000
0
0
0
0,1026
2+48
FOIRL
AUI (> 2м)
Сегмент 3
500 м
10Base-FB
Концентратор 3
Сегмент 4
500 м
10Base-FB
Концентратор 2
Сегмент 2
1000 м
10Base-FL
Промежуточный
сегмент
Концентратор 1
Левый
сегмент 1
100 м
10Base-T
Концентратор 4
Сегмент
первого
источника
Сегмент 5
600 м
10Base-FB
Концентратор 5
Сегмент
второго
источника
Правый
сегмент 6
100 м
10Base-T
Рис. 6. Пример сети Ethernet, состоящей из сегментов различных
физических стандартов
примере передача первого кадра начинается от выхода передатчика (Tx) сетевого адаптера этого первого компьютера-источника.
Затем сигналы передаваемого кадра последовательно передаются
21
через промежуточные сегменты 2-5 и так распространяются до
наиболее удаленного компьютера (до входов Rx его сетевого адаптера) в крайне правом сегменте 6, который называется сегментом
второго источника. В нашем эксперименте именно этот компьютер
является вторым источником, который начинает передачу своего
кадра в самый последний момент, перед тем как сигналы первого
кадра достигли его входов. Таким образом, здесь, в крайне правом
сегменте 6 и происходит столкновение сигналов двух кадров и
возникает коллизия, что и подразумевается в табл. 4. Очевидно,
что в приведенном примере моделируется худший случай возникновения коллизии, с точки зрения возможности ее обнаружения
обоими источниками.
С каждым сегментом связана постоянная задержка, названная
базой, которая зависит только от типа сегмента и от положения
сегмента на пути сигнала (левый сегмент 1-го источника, промежуточный или правый сегмент 2-го источника). База сегмента второго
источника, в котором возникает коллизия, намного превышает базу других сегментов.
Кроме этого, с каждым сегментом связана задержка распространения сигнала вдоль кабеля сегмента, которая зависит от длины
сегмента и вычисляется путем умножения времени распространения сигнала по одному метру кабеля (в битовых интервалах – bt)
на длину кабеля в метрах. Расчет заключается в вычислении задержек, вносимых каждым отрезком кабеля (приведенная в таблице
задержка сигнала на 1 м кабеля умножается на длину сегмента), а
затем в суммировании этих задержек с базами сегментов всех трех
типов. Общее значение PDV не должно превышать 575 bt.
Так как сегменты первого и второго источников имеют различные величины базовой задержки, то в случае различных типов сегментов на левом и правом краях сети необходимо выполнить расчеты дважды: один раз принять в качестве сегмента первого источника сегмент одного типа, а во второй – сегмент другого типа. В качестве окончательного результата необходимо выбрать максимальное
из двух значений PDV. В нашем примере крайние сегменты сети
принадлежат к одному типу – стандарту 10Base-T, поэтому двойной расчет не требуется, но если бы они были сегментами разного
типа, то в первом случае нужно было бы принять в качестве сегмента первого источника левый сегмент между станцией и концентратором 1, при этом коллизия будет возникать в правом сегменте
второго источника между станцией и концентратором 5. Во втором
расчете моделируется ситуация, когда необходимо считать правый
22
сегмент сегментом первого источника между станцией и концентратором 5, а коллизия будет возникать в левом сегменте второго
источника между станцией и концентратором 1.
Приведенная на рис. 6 сеть в соответствии с правилом 4-х концентраторов не является корректной – в сети между узлами сегментов 1 и 6 имеется 5 концентраторов, хотя не все сегменты являются
сегментами 10Base-FB. Кроме того, общая длина сети равна 2800 м,
что нарушает правило 2500 м. Тем не менее, рассчитаем значение
PDV для нашего примера.
Левый сегмент 1: 15,3 (база) + 100 х 0,113 = 26,6 bt.
Промежуточный сегмент 2: 33,5 + 1000 х 0,1 = 133,5 bt.
Промежуточный сегмент 3: 24 + 500 х 0,1 = 74,0 bt.
Промежуточный сегмент 4: 24 + 500 х 0,1 = 74,0 bt.
Промежуточный сегмент 5: 24 + 600 х 0,1 = 84,0 bt.
Правый сегмент 6: 165 + 100 х 0,113 = 176,3 bt.
Сумма всех составляющих дает значение PDV, равное 568,4 bt.
Так как значение PDV меньше максимально допустимой величины 575 bt, то эта сеть проходит по критерию времени двойного
оборота сигнала, несмотря на то, что ее общая длина составляет
больше 2500 м, а количество концентраторов больше четырех.
1.4.4. Расчет сокращения межкадрового интервала
Чтобы признать конфигурацию сети корректной, нужно рассчитать также уменьшение межкадрового интервала повторителями,
т. е. величину PVV.
Для расчета PVV также можно воспользоваться значениями
максимальных величин уменьшения межкадрового интервала при
прохождении повторителей различных физических сред, рекомендованными IEEE и приведенными в табл. 5.
Таблица 5
Сокращение межкадрового интервала
повторителями (концентраторами)
Тип сегмента
Передающий сегмент, bt
Промежуточный сегмент, bt
10Base-5 или 10Base-2
16
11
10Base-FB
–
2
10Base-FL
10,5
8
10Base-T
10,5
8
23
В соответствии с этими данными рассчитаем значение PVV для
нашего примера.
Концентратор 1 из передающего сегмента 1 10Base-T: сокращение в 10,5 bt.
Концентратор 2 из промежуточного сегмента 2 10Base-FL: 8 bt.
Концентратор 3 из промежуточного сегмента 10Base-FB: 2 bt.
Концентратор 4 из промежуточного сегмента 4 10Base-FB: 2 bt.
Концентратор 5 из промежуточного сегмента 5 10Base-FB: 2 bt.
Сумма этих величин дает значение PVV, равное 24,5 bt, что
меньше предельного значения в 49 битовых интервалов.
В результате точных вычислений можно сделать вывод, что приведенная в примере сеть, несмотря на нарушения по числу сегментов и концентраторов, соответствует стандартам Ethernet по всем
временным параметрам, связанным и с двойным оборотом сигнала,
и с сокращением межкадрового интервала.
24
2. Методика построения сегментов ЛВС Fast Ethernet
Стандарт 100BaseT (IEEE 802.3u) специфицирует технологию Fast Ethernet, которая, как и все некоаксиальные варианты
Ethernet, рассчитана на использование концентраторов (многопортовых повторителей) для образования связей в ЛВС. Правила корректного построения сегментов в Fast Ethernet включают:
– ограничения на максимальные длины физических сегментов,
соединяющих DTE с DTE;
– ограничения на максимальные длины физических сегментов,
соединяющих DTE с портом концентратора;
– ограничения на максимальный диаметр сети;
– ограничения на максимальное число концентраторов и максимальную длину физического сегмента, соединяющего концентраторы.
2.1. Ограничения длин сегментов DTE-DTE
В качестве DTE (Data Terminal Equipment) – оконечного оборудования в ЛВС может выступать любой источник кадров данных
для сети: сетевой адаптер компьютера, порт моста, порт коммутатора или маршрутизатора, модуль управления сетью и другие подобные устройства. Отличительной особенностью DTE является то,
что он может вырабатывать новый кадр для сегмента, представляющего собой единую разделяемую среду. Порт концентратора (повторителя) не является DTE, так как он побитно повторяет уже появившийся в разделяемой среде кадр.
В типичной конфигурации сети Fast Ethernet с разделяемой средой несколько DTE (сетевых адаптеров компьютеров) подключается
к портам концентратора, образуя сеть звездообразной топологии. Соединения DTE-DTE в таких сетях с разделяемой средой не встречаются (если исключить крайний вариант конфигурации, когда сетевые
адаптеры двух компьютеров соединены прямо друг с другом кабелем).
В ЛВС, которые строятся с использованием мостов/коммутаторов и
маршрутизаторов, соединения DTE-DTE являются уже нормой, когда сетевой адаптер прямо соединен с портом одного из этих устройств,
либо эти устройства соединяются друг с другом.
Спецификация IEEE 802.3u определяет следующие максимальные длины сегментов DTE-DTE, приведенные в табл. 6.
Таким образом, к соединениям DTE-DTE в технологии Fast
Ethernet относятся соединения:
– сетевой адаптер – мост/коммутатор/маршрутизатор;
– мост/коммутатор/маршрутизатор – мост/коммутатор/маршрутизатор.
25
Таблица 6
Максимальные длины сегментов DTE-DTE
Стандарт
Тип кабеля
Максимальная длина
физического сегмента
100Base-TX
Категория 5 UTP
100м
100Base-FX
Многомодовое оптоволокно
62,5/125 мкм
412 м (полудуплекс)
2 км (полный дуплекс)
100Base-T4
Категория 3,4 или 5 UTP
100м
Использую данные, приведенные в табл. 6, можно легко определить максимальный диаметр сети, построенной с использованием
одного коммутатора, например, для стандарта 100Base-TX он будет
равен 200 м.
2.2. Ограничения для сетей Fast Ethernet,
построенных на концентраторах
Концентраторы (многопортовые повторители) Fast Ethernet, работающие на физическом уровне, делятся на два класса. Концентраторы (повторители) класса I полностью декодируют аналоговый
сигнал и преобразуют его в цифровую форму, прежде чем передавать на другие порты. Они поддерживают все типы логического кодирования данных: как 4B/5B, так и 8B/6. Концентраторы класса
II направляют поступивший на один из портов аналоговый сигнал
непосредственно на все остальные порты без преобразования его
в цифровой вид, а также поддерживают только какой-то один тип
логического кодирования – либо 4B/5B, либо 8B/6T. Иными словами, концентраторы класса I позволяют выполнять трансляцию логических кодов с битовой скоростью 100 Мбит/с, а концентраторам
класса II эта операция недоступна.
Вследствие этого концентраторы класса I могут иметь порты
всех трех типов физического уровня: 100Base-TX, 100Base-FX
и 100Base-T4. Концентраторы класса II имеют либо все порты
100Base-T4, либо порты 100Base-TX и 100Base-FX, так как последние используют один логический код 4B/5B.
В одном домене коллизий или, что то же самое, в одном логическом сегменте Fast Ethernet допускается наличие только одного
концентратора класса I. Это связано с тем, что такой концентратор вносит большую задержку при распространении сигналов изза необходимости трансляции различных систем сигнализации –
70 bt.
26
Концентраторы класса II вносят меньшую задержку при передаче сигналов: 46 bt для портов TX/FX и 33,5 bt для портов T4.
Поэтому максимальное число концентраторов класса II в домене
коллизий – два, причем они должны быть соединены между собой
кабелем не длиннее 5 метров. Отметим, что один и тот же сегмент
не может иметь концентраторы обоих типов.
Задержка в кабеле при 100 Мбит/с та же, что и при 10 Мбит/с, она
составляет 0,55 мкс в одном направлении на отрезке 100 м в случае
использования кабеля UTP. Концентраторы на 100 Мбит/с передают
сигналы несколько быстрее, чем их 10-мегабитные аналоги, – задержка составляет от 0,35 до 0,7 мкс в зависимости от класса концентратора. Сетевой адаптер вносит задержку 0,25 мкс. Сложив все эти задержки и умножив на два, мы получаем задержку TPDV распространения сигнала от одного конечного узла до другого, и обратно. Для Fast
Ethernet должна быть меньше 512 bt при величине битового интервала, равного 10 нс. Таким образом, TPDV должна быть меньше, чем 5,12
мкс – время передачи кадра минимального размера со скоростью 100
Мбит/с, в соответствии с формулой:
TPDV = (τa + τc + τh) x 2 < 5,12 мкс,
где τa – задержка на сетевом адаптере,
τc – задержка в кабеле,
τh – задержка на концентраторе.
Отсюда видно, что 100BaseT позволяет иметь два отрезка кабеля из
витой пары длиной 100 м и один, максимум два, концентратора.
В табл. 7 приведены правила построения сети на основе концентраторов класса I.
Небольшое количество концентраторов Fast Ethernet, которые
можно использовать в одной разделяемой среде, не является сеТаблица 7
Параметры сетей на основе концентраторов класса 1
Тип кабелей
Максимальный
диаметр сети, м
Максимальная длина
физического сегмента, м
Только витая пара (ТХ)
200
100
Только оптоволокно (FX)
272
136
Несколько сегментов на витой
паре и один на оптоволокне
260
100 (ТХ)
160 (FX)
Несколько сегментов на витой
паре и несколько сегментов на
оптоволокне
272
100 (ТХ)
136 (FX)
27
рьезным препятствием при построении больших ЛВС, так как применение коммутаторов и маршрутизаторов делит сеть на несколько
логических сегментов или доменов коллизий. Тогда каждый из логических сегментов может строиться на одном или двух концентраторах. Общая длина такой ЛВС не будет иметь в этом случае ограничений.
Применение этих правил можно проиллюстрировать на типовой
конфигурации ЛВС Fast Ethernet.
Таким образом, правило 4-х концентраторов превратилось для
Fast Ethernet в правило одного или двух концентраторов, в зависимости от класса концентратора.
При определении корректности конфигурации сети можно не
руководствоваться правилами одного или двух концентраторов, а
рассчитывать время двойного оборота сети, как это было показано
выше для сети Ethernet 10 Мбит/с.
Как и для технологии Ethernet 10 Мбит/с, комитет 802.3 дает
исходные данные для расчета времени двойного оборота сигнала.
Однако при этом сама форма представления этих данных и методика расчета несколько изменились. Комитет предоставляет данные
об удвоенных задержках, вносимых каждым элементом сети, не
разделяя сегменты сети на левый, правый и промежуточный. Кроме того, задержки, вносимые сетевыми адаптерами, учитывают
Коммутатор
Fast Ethernet
Оптоволокно (FX)
412 м – полудуплекс
2000 м – полный дуплекс
Витая пара (TX)
100 м
Оптоволокно (FX)
160 м
Концентратор
класса I
Витая
пара
(TX)
100 м
ВОЛС
(FX)
138 м
Коммутатор
Fast Ethernet
Концентратор
класса II
Витая
пара
(TX)
100 м
Витая
пара
(TX)
5м
Концентратор
класса II
Витая
пара
(TX)
100 м
Рис. 7. Пример построения сети Fast Ethernet с помощью
концентраторов классов I и II
28
преамбулы кадров, поэтому время двойного оборота нужно сравнивать с величиной 512 битовых интервала, т. е. со временем передачи кадра минимальной длины без преамбулы.
Для повторителей класса I время двойного оборота можно рассчитать следующим образом.
Задержки, вносимые прохождением сигналов по кабелю, рассчитываются на основании данных табл. 8, в которой учитывается
удвоенное прохождение сигнала по кабелю.
Задержки, которые вносят два взаимодействующих через повторитель сетевых адаптера (или порта коммутатора), берутся из
табл. 9.
Учитывая, что удвоенная задержка, вносимая повторителем
класса I, равна 140 bt, можно рассчитать время двойного оборота для произвольной конфигурации сети, естественно, учитывая
максимально возможные длины непрерывных сегментов кабелей,
приведенные в табл. 8. Если получившееся значение меньше 512,
значит, по критерию надежного распознавания коллизий сеть является корректной. Комитет 802.3 рекомендует оставлять запас в 4
bt для устойчиво работающей сети, но разрешает выбирать эту величину из диапазона от 0 до 5 bt.
Таблица 8
Задержки, вносимые кабелем
Тип кабеля
Удвоенная задержка
в bt на 1 м
Удвоенная задержка на кабеле максимальной длины
UTP Cat 3
1,14 bt
114 bt (100 м)
UTP Cat 4
1,14 bt
114 bt (100 м)
UTP Cat 5
1,112 bt
111,2 bt (100 м)
STP
1,112 bt
111,2 bt (100 м)
Оптоволокно
1,0 bt
412 bt (412 м)
Таблица 9
Задержки, вносимые сетевыми адаптерами
Тип сетевых адаптеров
Максимальная задержка при двойном обороте
Два адаптера TX/FX
100 bt
Два адаптера Т4
138 bt
Один адаптер TX/FX
и один Т4
127 bt
29
Рассчитаем для примера рекомендуемую в таблице конфигурацию сети, состоящую из одного концентратора и двух оптоволоконных сегментов длиной по 136 метров.
Каждый сегмент вносит задержку по 136 bt, пара сетевых адаптеров FX дает задержку в 100 bt, а сам концентратор вносит задержку в 140 bt. Сумма задержек равна 512 bt, что говорит о том,
что сеть корректна, но запас принят равным 0.
2.3. Эффективность ЛВС с единой разделяемой средой
При построении небольших ЛВС, состоящих из 10-30 узлов, использование стандартных технологий на разделяемых средах передачи данных приводит к экономичным и эффективным решениям.
Во всяком случае, это утверждение справедливо для очень большого числа сегодняшних сетей, даже тех, в которых передаются
большие объемы мультимедийной информации, – появление высокоскоростных технологий со скоростями обмена 100 и даже 1000
Мбит/с решает проблему качества транспортного обслуживания
таких сетей.
Эффективность разделяемой среды для небольшой сети проявляется в первую очередь в следующих свойствах:
– простоя топология ЛВС, допускающая легкое наращивание
числа узлов (в небольших пределах);
– отсутствие потерь кадров из-за переполнения буферов коммуникационных устройств, так как новый кадр не передается в сеть,
пока не принят предыдущий – сама логика разделения среды регулирует поток кадров и приостанавливает станции, слишком часто
генерирующие кадры, заставляя их ждать доступа;
– простота протоколов, обеспечивающая низкую стоимость сетевых адаптеров, повторителей и концентраторов.
Однако справедливым является и другое утверждение – крупные ЛВС, насчитывающие сотни и тысячи узлов, не могут быть построены на основе одной разделяемой среды даже такой скоростной
технологии, как Gigabit Ethernet. И не только потому, что практически все технологии ограничивают количество узлов в разделяемой среде: все виды семейства Ethernet – 1024 узлами, Token
Ring – 260 узлами, a FDDI – 500 узлами. Даже сеть средних размеров, состоящая из 50-100 компьютеров и укладывающаяся в разрешенный максимум количества узлов, чаще всего будет плохо работать на одной разделяемой среде [4].
Основные недостатки сети на одной разделяемой среде начинают проявляться при превышении некоторого порога количества уз30
лов, подключенных к разделяемой среде, и состоят в следующем.
Даже та доля пропускной способности разделяемого сегмента, которая должна в среднем доставаться одному узлу (то есть, например, 10/N Мбит/с для сегмента Ethernet с N компьютерами), очень
часто узлу не достается. Причина заключается в случайном характере метода доступа к среде, используемом во всех технологиях локальных сетей Ethernet . Наиболее тяжелые условия для узлов сети
создает метод доступа CSMA/CD технологии Ethernet, но и в других
технологиях, таких как Token Ring или FDDI, где метод доступа
называется детерминированным, случайный фактор доступа к среде все равно присутствует и оказывает свое негативное влияние на
пропускную способность, достающуюся отдельному узлу.
На рис. 8 показана зависимость задержек доступа к среде передачи данных в сетях Ethernet, Token Ring и FDDI от коэффициента
использования сети ρ, который также часто называют коэффициентом нагрузки сети.
Коэффициент использования сети равен отношению трафика,
который должна передать сеть, к ее максимальной пропускной
способности. Для сети Ethernet максимальная пропускная способность равна 10 Мбит/с, а трафик, который она должна передать, равен сумме интенсивностей графика, генерируемого каждым узлом
сети. Коэффициент использования обычно измеряют в относительных единицах или процентах.
Как видно из рисунка, всем технологиям присущ экспоненциальный рост величины задержек доступа при увеличении коэффициента использования сети, отличается только порог, при котором
наступает резкий перелом в поведении сети, когда почти прямолинейная зависимость переходит в крутую экспоненту. Для всего
семейства технологий Ethernet это 40-50 %, для технологии Token
Ring – 60 %, а технологии FDDI- 70%.
Количество узлов, при которых коэффициент использования
сети начинает приближаться к опасной границе, зависит от типа
функционирующих в узлах приложений. Если раньше для сетей
Ethernet считалось, что 30 узлов – это вполне приемлемое число
для одного разделяемого сегмента, то сегодня для мультимедийных приложений, перекачивающих большие файлы данных, эту
цифру нужно уточнять с помощью натурных или имитационных
экспериментов.
Влияние задержек и коллизий на полезную пропускную способность сети Ethernet хорошо отражает график, представленный
на рис. 9.
31
10 Мбит/с
T
Ethernet
Идеальное
поведение сети
Token Ring
FDDI
Полезная
пропускная
способность
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 0
Рис. 8. Задержки доступа к среде
передачи данных для технологий
Ethernet, Token Ring и FDDI
p
0,5
p
Рис. 9. Зависимость полезной
пропускной способности сети
Ethernet от коэффициента
использования
При загрузке сети до 50 % технология Ethernet на разделяемом сегменте хорошо справляется с передачей графика, генерируемого конечными узлами. Однако при повышении интенсивности
генерируемого узлами графика сеть все больше времени начинает проводить неэффективно, повторно передавая кадры, которые
вызвали коллизию. При возрастании интенсивности генерируемого графика до такой величины, когда коэффициент использования сети приближается к 1, вероятность столкновения кадров
настолько увеличивается, что практически любой кадр, который
какая-либо станция пытается передать, сталкивается с другими
кадрами, вызывая коллизию. Сеть перестает передавать полезную пользовательскую информацию и работает «на себя», обрабатывая коллизии.
Этот эффект хорошо известен на практике и исследован путем
имитационного моделирования, поэтому сегменты Ethernet не рекомендуется загружать так, чтобы среднее значение коэффициента
использования превосходило 30 %. Именно поэтому во многих системах управления сетями пороговая граница для индикатора коэффициента загрузки сети Ethernet по умолчанию устанавливается
на величину 30 %.
Технология Ethernet наиболее чувствительна к перегрузкам
разделяемого сегмента, но и другие технологии также весьма страдают от этого эффекта, поэтому ограничения, связанные с возникающими коллизиями и большим временем ожидания доступа при
значительной загрузке разделяемого сегмента, чаще всего оказы32
ваются более серьезными, чем ограничение на максимальное количество узлов, определенное в стандарте из соображений устойчивой
передачи электрических сигналов в кабелях.
В результате даже сеть средних размеров трудно построить на одном разделяемом сегменте так, чтобы она работала эффективно при
изменении интенсивности генерируемого станциями трафика. Кроме того, при использовании разделяемой среды проектировщик сети
сталкивается с жесткими ограничениями максимальной длины сети,
которые для всех технологий лежат в пределах нескольких километров (только технология FDDI позволяет строить локальные сети,
длина которых измеряется десятками километров).
33
3. Логическая Структуризация ЛВС
с помощью коммутаторов
3.1. Преимущества логической структуризации сети
Ограничения, возникающие из-за использования общей разделяемой среды, можно преодолеть, разделив ЛВС на несколько разделяемых сред и соединив отдельные сегменты сети такими устройствами,
как мосты, коммутаторы или маршрутизаторы (рис. 10).
Перечисленные устройства передают кадры с одного своего порта на другой, анализируя адрес назначения, помещенный в этих
кадрах. (В отличие от концентраторов, которые повторяют кадры
на всех своих портах, передавая их во все подсоединенные к ним
сегменты, независимо от того, в каком из них находится станция
назначения.) Мосты и коммутаторы выполняют операцию коммутации кадров на основе аппаратных адресов канального уровня,
т. е. МАС-адресов, а маршрутизаторы – на основе номера сети. Хотя
коммутатор и передает через выходной порт кадр, который выработал в свое время сетевой адаптер компьютера, но для логического
Общая разделяемая среда
Логическая сегментация
Коммутатор
Разделяемая
среда1
Разделяемая
среда 3
Разделяемая
среда 2
Рис. 10. Логическая структуризация сети
34
сегмента сети, к которому подключен выходной порт, этот кадр
является новым. При этом единая разделяемая среда, созданная
концентраторами (или в предельном случае – одним сегментом кабеля), делится на несколько частей, каждая из которых присоединена к порту моста, коммутатора или маршрутизатора.
Таким образом, мост или коммутатор, в отличие от концентраторов и повторителей, обеспечивают логическую структуризацию
сети, т.е. разбивают одну разделяемую среду на несколько логических сегментов в соответствии с числом портов [5], в которых производится локализация трафика. Локализация трафика внутри
логического сегмента, являющегося разделяемой средой, осуществляется благодаря выполнению в соответствующем порту коммутатора функции фильтрации. При фильтрации в отличии от коммутации кадр не передается на другой порт, а уничтожается после
приема, так как адресат этого кадра находится в том же логическом
сегменте, что и источник кадра.
Говорят, что при этом сеть делится на логические сегменты или
сеть подвергается логической структуризации. Логический сегмент
представляет собой единую разделяемую среду. Деление сети на логические сегменты приводит к тому, что нагрузка, приходящаяся
на каждый из вновь образованных сегментов, почти всегда оказывается меньше, чем нагрузка, которую испытывала исходная сеть.
Следовательно, уменьшаются вредные эффекты от разделения среды: снижается время ожидания доступа, а в сетях Ethernet – и интенсивность коллизий.
Для иллюстрации этого эффекта рассмотрим рис. 11. На нем
изображены два сегмента, соединенные мостом. Внутри сегментов
имеются концентраторы. До деления сети на сегменты весь трафик,
генерируемый абонентами сети, был общим (представим, что место
межсетевого устройства также занимал повторитель) и учитывался
при определении коэффициента использования сети. Если обозначить среднюю интенсивность графика, идущего от узла i к узлу j через Cij, то суммарный трафик, который должна была передавать сеть
до деления на сегменты, равен CΣ = ΣCij (считаем, что суммирование
проводится по всем узлам).
После разделения сети на сегменты нагрузка каждого сегмента
изменилась. При ее вычислении теперь нужно учитывать только
внутрисегментный трафик, то есть трафик кадров, которые циркулируют между узлами одного сегмента, а также межсегментный
трафик, который либо направляется от узла данного сегмента узлу
другого сегмента, либо приходит от узла другого сегмента в узел
35
Межсегментный трафик
Мост
C28 C73 C37
Концентратор
C12
1
Концентратор
C21
2
3
Сегмент S1
4
5
6
7
8
9
10
Сегмент S2
Рис. 11. Изменение нагрузки при делении сети на сегменты
данного сегмента. Внутренний трафик другого сегмента теперь нагрузку на данный сегмент не создает.
Поэтому нагрузка, например, сегмента S1 стала равна CS1 + CS1–S2,
где C S1 – внутренний трафик сегмента S1, a CS1–S2 – межсегментный
трафик. Чтобы показать, что нагрузка сегмента S1 уменьшилась,
заметим, что общую нагрузку сети до разделения на сегменты можно записать в такой форме:
CΣ = CS1 + CS1–S2 + CS2.
Тогда нагрузка сегмента S1 после разделения стала равной CΣ –CS2,
т. е. уменьшилась на величину внутреннего графика сегмента S2.
А раз нагрузка на сегмент уменьшилась, то в соответствии с графиками, приведенными на рис. 8 и рис. 9, задержки в сегментах
также уменьшились, а полезная пропускная способность сегмента в целом и полезная пропускная способность, приходящаяся на
один узел, увеличились.
Выше было сказано, что деление сети на логические сегменты
почти всегда уменьшает нагрузку в новых сегментах. Слово «почти» учитывает очень редкий случай, когда сеть разбита на сегменты
так, что внутренний трафик каждого сегмента равен нулю, то есть
весь график является межсегментным. Для примера на рис. 11 это
означало бы, что все компьютеры сегмента S1 обмениваются данными только с компьютерами сегмента S2, и наоборот.
Такой случай является, естественно, экзотическим. На практике на предприятии всегда можно выделить группу компьютеров,
36
которые принадлежат сотрудникам, выполняющим общую задачу.
Это могут быть сотрудники одной рабочей группы, отдела, другого
структурного подразделения предприятия. В большинстве случаев
им нужен доступ к ресурсам сети их отдела и только изредка – доступ к удаленным ресурсам. И хотя уже упомянутое эмпирическое
правило, говорящее о том, что можно разделить сеть на сегменты
так, что 80 % графика составляет обращение к локальным ресурсам и только 20 % – к удаленным, сегодня трансформируется в правило 50 на 50 % и даже 20 на 80 %, все равно внутрисегментный
трафик существует. Если его нет, значит, сеть разбита на логические подсети неверно.
Большинство крупных сетей разрабатывается на основе структуры с общей магистралью, к которой через мосты и маршрутизаторы присоединяются подсети. Эти подсети обслуживают различные отделы. Подсети могут делиться и далее на сегменты, предназначенные для обслуживания рабочих групп.
В общем случае деление сети на логические сегменты повышает производительность сети (за счет разгрузки сегментов), а также
гибкость построения сети, увеличивая степень защиты данных, и
облегчает управление сетью.
Сегментация увеличивает гибкость сети. При построении сети
как совокупности подсетей каждая подсеть может быть адаптирована к специфическим потребностям рабочей группы или отдела. Например, в одной подсети может использоваться технология
Ethernet и ОС NetWare, а в другой Token Ring, в соответствии с традициями того или иного отдела или потребностями имеющихся
приложений. Вместе с тем, у пользователей обеих подсетей есть
возможность обмениваться данными через межсетевые устройства,
такие как мосты, коммутаторы, маршрутизаторы. Процесс разбиения сети на логические сегменты можно рассматривать и в обратном направлении, как процесс создания большой сети из уже имеющихся подсетей.
Подсети повышают безопасность данных. При подключении
пользователей к различным логическим сегментам сети можно
запретить доступ определенных пользователей к ресурсам других
сегментов. Устанавливая различные логические фильтры на мостах, коммутаторах и маршрутизаторах, можно контролировать
доступ к ресурсам, чего не позволяют сделать повторители.
Логическая сегментация упрощает управление сетью. Побочным эффектом уменьшения трафика и повышения безопасности
данных является упрощение управления сетью. Проблемы очень
37
часто локализуются внутри сегмента. Как и в случае структурированной кабельной системы, проблемы одного логического сегмента
(подсети) не оказывают влияния на другие подсети.
Сети должны проектироваться на двух уровнях: физическом и
логическом. Логическое проектирование определяет места расположения ресурсов, приложений и способы группировки этих ресурсов в логические сегменты.
3.2. Основы функционирования коммутаторов
Технология коммутации сегментов Ethernet была предложена
фирмой Kalpana в 1990 году [1] в ответ на растущие потребности
в повышении пропускной способности связей высокопроизводительных серверов с сегментами рабочих станций. С тех пор структура коммутаторов претерпела не так много изменений. Модернизировались, в основном, такие характеристики как число портов,
размер буферной памяти каждого порта, быстродействие канальных процессоров и, как следствие, пропускная способность коммутаторов в целом.
Структурная схема типичного коммутатора, представлена на
рис. 12.
Каждый из N портов с интерфейсами на основе витой пары
(10Base-T, 100Base-Tx) обслуживается своим канальным процессором кадров Ethernet (КПр). Кроме того, коммутатор имеет центральный процессор (ЦП), который координирует работу всех процессоров ЕРР. ЦП ведет общую адресную таблицу коммутатора, а
модуль системного управления (СУ) обеспечивает управление комRx
Tx
КПр
СУ
Rx
Tx
КПр
- - -
Коммутационная матрица
ЦП
Адресная
таблица
КПр
Rx
Tx
КПр
- - -
Rx
Tx
Рис. 12. Структура типового коммутатора
38
мутатором 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. Например, для 8 портов матрица может обеспечить 8
одновременных внутренних каналов при полудуплексном режиме
работы портов и 16 каналов – при полнодуплексном, когда передатчик Tx и приемник Rx каждого порта работают независимо друг
от друга.
При поступлении кадра в какой-либо порт процессор КПр буферизует несколько первых байт кадра, чтобы прочитать адрес
назначения. После получения адреса назначения процессор сразу
же принимает решение о передаче кадра, не дожидаясь прихода
остальных байт кадра. Для этого он просматривает свой собственный кэш адресной таблицы, а если не находит там нужного адреса,
обращается к ЦП, который работает в многозадачном режиме, параллельно обслуживая запросы всех процессоров КПр. ЦП производит просмотр общей адресной таблицы и возвращает процессору
найденную строку, которую тот буферизует в своем кэше для последующего использования.
После нахождения адреса назначения КПр может принять соответствующее решение о том, что нужно дальше делать с поступающим кадром (во время просмотра адресной таблицы порт продолжал буферизацию поступающих байтов кадра). Если кадр нужно
отфильтровать, процессор просто прекращает записывать в буфер
байты кадра, очищает буфер и ждет поступления нового 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, т. е. 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
39
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.
Процессор входного порта постоянно хранит несколько байт принимаемого кадра в своем буфере, что позволяет ему независимо и
асинхронно принимать и передавать байты кадра (рис. 13).
При свободном в момент приема кадра состоянии выходного
порта задержка между приемом первого байта кадра коммутатором
и появлением этого же байта на выходе порта адреса назначения составляла у коммутатора компании Kalpana всего 40 мкс, что было
гораздо меньше задержки кадра при его передаче мостом.
Описанный способ передачи кадра без его полной буферизации
получил название коммутации «на лету» («on-the-fly») или «напролет» («cut-through»).
Однако главной причиной повышения производительности сети
при использовании коммутатора является параллельная обработка
нескольких кадров.
Этот эффект иллюстрируется на примере сети, использующей
микросегментацию, при которой каждый из логических сегментов,
Tx
Rx
Tx
Rx
Ожидание
КПр
КПр
Канальный
процессор
Буферизация
кадра
б б
Rx
б б
КПр
Tx
б
Байты
кадра
б б
б
б
Установленное
соединение
б КПр б
Входной
порт
б Tx
КПр
б Rx
Коммутационная
матрица
Rx
б
б
Tx
КПр
Rx
Tx
Выходной
порт
Рис. 13. Передача кадров через коммутационную матрицу
40
образованных коммутатором, содержит только один компьютер,
(рис. 14). Такие логические сегменты называют микросегментами.
В примере приведена идеальная, в отношении повышения производительности ситуация, когда четыре порта из восьми передают данные с максимальной для протокола Ethernet скоростью 10 Мбит/с,
причем они передают эти данные на остальные четыре порта коммутатора не конфликтуя. При этом 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 4×10 = 40 Мбит/с, а
при обобщении примера для N портов – (N/2)×10 Мбит/с. Говорят,
что коммутатор предоставляет станции или логическому сегменту,
подключенным к каждому из его портов, выделенную пропускную
способность протокола.
Естественно, что в сети не всегда складывается такая ситуация,
которая изображена на рис. 14. 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 8 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
1
Rx
Tx
2
Rx
Tx
Server
3
Rx
Tx
4
Rx
Tx
A
5
Rx
Tx
B
6
Rx
Tx
Коммутатор
C
Коммутация кадров
между портами
D
7
Rx
Tx
Server
Server
8
Rx
Tx
Server
A, B, C, D – потоки кадров между компьютерами
Рис. 14. Параллельная передача кадров коммутатором
41
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
Неблокирующий коммутатор – это такой коммутатор, который
может передавать кадры через свои порты с той же скоростью,
с которой они на них поступают. Естественно, что даже неблокирующий коммутатор не может разрешить в течение долгого промежутка времени ситуации, подобные описанной выше, когда блокировка кадров происходит из-за ограниченной скорости выходного
порта.
Обычно имеют в виду устойчивый неблокирующий режим работы коммутатора, когда коммутатор передает кадры со скоростью
их поступления в течение произвольного промежутка времени. Для
обеспечения такого режима нужно, естественно, такое распределение потоков кадров по выходным портам, чтобы они справлялись
с нагрузкой, и коммутатор мог всегда в среднем передать на выходы
столько кадров, сколько их поступило на входы. Если же входной поток кадров (просуммированный по всем портам) в среднем будет превышать выходной поток кадров (также просуммированный по всем
портам), то кадры будут накапливаться в буферной памяти коммутатора, а при превышении ее объема – просто отбрасываться.
Для обеспечения неблокирующего режима коммутатора необходимо выполнение достаточно простого условия:
Ck = (∑Cрi)/2,
где Ck – производительность коммутатора, Ср; – максимальная производительность протокола, поддерживаемого i-м портом коммутатора. Суммарная производительность портов учитывает каждый
проходящий кадр дважды – как входящий кадр и как выходящий,
а так как в устойчивом режиме входной трафик равен выходному,
то минимально достаточная производительность коммутатора для
поддержки неблокирующего режима равна половине суммарной
производительности портов. Если порт работает в полудуплексном
режиме, например в Ethernet 10 Мбит/с, то производительность
порта Cpi равна 10 Мбит/с, а если в полнодуплексном, то его Сpi будет составлять 20 Мбит/с.
Иногда говорят, что коммутатор поддерживает мгновенный
неблокирующий режим. Это означает, что он может принимать и
42
обрабатывать кадры от всех своих портов на максимальной скорости протоколов, независимо от того, обеспечиваются ли условия устойчивого равновесия между входным и выходным трафиком. Правда, обработка некоторых кадров при этом может быть
неполной – при занятости выходного порта кадр помещается в буфер коммутатора. Для поддержки неблокирующего мгновенного
режима коммутатор должен обладать большей собственной производительностью, а именно, она должна быть равна суммарной
производительности его портов:
Ck = ∑Cpi.
Первый коммутатор для локальных сетей не случайно появился для технологии Ethernet. Кроме очевидной причины, связанной
с наибольшей популярностью сетей Ethernet, существовала и другая, не менее важная причина – эта технология больше других страдает от повышения времени ожидания доступа к среде при повышении загрузки сегмента. Поэтому сегменты Ethernet в крупных сетях
в первую очередь нуждались в средстве разгрузки узких мест сети,
и этим средством стали коммутаторы различных производителей.
Внутренняя организация коммутаторов различных производителей
иногда существенно разнилась, однако принцип параллельной обработки кадров по каждому порту оставался неизменным.
Широкому применению коммутаторов, безусловно, способствовало то обстоятельство, что внедрение технологии коммутации не
требовало замены установленного в сетях оборудования – сетевых
адаптеров, концентраторов, кабельной системы. Порты коммутаторов работали в обычном полудуплексном режиме, поэтому к ним
прозрачно можно было подключить как конечный узел, так и концентратор, организующий целый логический сегмент.
Удобство использования современных коммутаторов состоит
еще и в том, что это самообучающиеся устройства и, если администратор не нагружает коммутатор дополнительными функциями,
конфигурировать его не обязательно – нужно только правильно
подключить разъемы кабелей к портам коммутатора, а дальше он
будет работать самостоятельно и эффективно выполнять поставленную перед ним задачу повышения производительности сети.
3.3. Характеристики, влияющие на
производительность коммутаторов
Основными показателями коммутатора, характеризующими
его производительность, являются:
– скорость фильтрации кадров;
43
– скорость продвижения кадров;
– пропускная способность;
– задержка передачи кадра.
Кроме того, существует несколько характеристик коммутатора,
которые в наибольшей степени влияют на указанные характеристики производительности. К ним относятся:
– тип коммутации – «на лету» или с полной буферизацией;
– размер буфера (буферов) кадров;
– производительность внутренней шины;
– производительность процессора или процессоров;
– размер внутренней адресной таблицы.
3.3.1. Скорость фильтрации и скорость продвижения
Скорость фильтрации и продвижения кадров – это две основные
характеристики производительности коммутатора. Эти характеристики являются интегральными показателями, они не зависят от
того, каким образом технически реализован коммутатор.
Скорость фильтрации (filtering) определяет скорость, с которой
коммутатор выполняет следующие этапы обработки кадров:
– прием кадра в свой буфер;
– просмотр адресной таблицы с целью нахождения порта для
адреса назначения кадра;
– уничтожение кадра, так как его порт назначения и порт источника принадлежат одному логическому сегменту.
Скорость фильтрации практически у всех коммутаторов является неблокирующей – коммутатор успевает отбрасывать кадры
в темпе их поступления.
Скорость продвижения (forwarding) определяет скорость, с которой коммутатор выполняет следующие этапы обработки кадров.
– прием кадра в свой буфер;
– просмотр адресной таблицы с целью нахождения порта для
адреса назначения кадра;
– передача кадра в сеть через найденный по адресной таблице
порт назначения.
Как скорость фильтрации, так и скорость продвижения измеряются обычно в кадрах в секунду. Если в характеристиках коммутатора не уточняется, для какого протокола и для какого размера
кадра приведены значения скоростей фильтрации и продвижения,
то по умолчанию считается, что эти показатели даются для протокола Ethernet и кадров минимального размера, то есть кадров длиной 64 байт (без преамбулы) с полем данных в 46 байт. Если скоро44
сти указаны для какого-либо определенного протокола, – например
Token Ring или FDDI, то они также даны для кадров минимальной
длины этого протокола (например, кадров длины 29 байт для протокола FDDI). Применение в качестве основного показателя скорости
работы коммутатора кадров минимальной длины объясняется тем,
что такие кадры всегда создают для коммутатора наиболее тяжелый
режим работы по сравнению с кадрами другого формата при равной
пропускной способности переносимых пользовательских данных.
Поэтому при проведении тестирования коммутатора режим передачи кадров минимальной длины используется как наиболее сложный
тест, который должен проверить способность коммутатора работать
при наихудшем сочетании параметров трафика.
Пропускная способность коммутатора измеряется количеством
пользовательских данных (в мегабитах в секунду), переданных в единицу времени через его порты. Так как коммутатор работает на канальном уровне, для него пользовательскими данными являются те
данные, которые переносятся в поле данных кадров протоколов канального уровня – Ethernet, Token Ring, FDDI и т. п. Максимальное
значение пропускной способности коммутатора всегда достигается на
кадрах максимальной длины, так как при этом доля накладных расходов на служебную информацию кадра гораздо ниже, чем для кадров
минимальной длины, а время выполнения коммутатором операций
по обработке кадра, приходящееся на один байт пользовательской
информации, существенно меньше. Поэтому коммутатор может быть
блокирующим для кадров минимальной длины, но при этом иметь
очень хорошие показатели пропускной способности.
Задержка передачи кадра измеряется как время, прошедшее
с момента прихода первого байта кадра на входной порт коммутатора до момента появления этого байта на его выходном порту. Задержка складывается из времени, затрачиваемого на буферизацию
байт кадра, а также времени, затрачиваемого на обработку кадра
коммутатором, а именно, просмотра адресной таблицы, принятия
решения о фильтрации или продвижении и получения доступа
к среде выходного порта.
Величина вносимой коммутатором задержки зависит от режима
его работы. Если коммутация осуществляется «на лету», то задержки
обычно невелики и составляют от 5 до 40 мкс, а при полной буферизации кадров – от 50 до 200 мкс (для кадров минимальной длины).
Коммутатор – это многопортовое устройство, поэтому для него
принято все приведенные выше характеристики (кроме задержки
передачи кадра) давать в двух вариантах. Первый вариант – сум45
марная производительность коммутатора при одновременной передаче трафика по всем его портам, второй вариант – производительность, приведенная в расчете на один порт. Обычно производители
коммутаторов указывают общую максимальную пропускную способность устройства.
3.3.2. Способы коммутации «на лету» или с буферизацией
На производительность коммутатора влияет способ передачи
кадров – «на лету» (“on-the-fly”) или с полной буферизацией.
Способ коммутации кадров «на лету» представляет, по сути,
конвейерную обработку кадра, когда частично совмещаются во
времени несколько этапов его передачи (рис. 15). Выделяются следующие этапы конвейерной обработки кадра:
1. Прием в входной порт первых байтов кадра канальным процессором, включая прием 6 байтов адреса назначения.
2. Поиск адреса назначения в адресной таблице коммутатора (в кэше канального процессора или в общей таблице системного модуля).
3. Коммутация матрицы.
4. Прием остальных байтов кадра процессором входного порта.
а
t1
t4
DA
4
t
2 3
t
t5
5
t
6
t
t7
7
б
t1+t4
∆t
1+4
t
t
2 3 6
t7
t
t
Рис. 15. Сокращение времени при конвейерной обработке кадра: а –
коммутация «на лету»; б – обычная обработка с полной буферизацией
46
5. Прием байтов кадра (включая первые) процессором выходного порта через коммутационную матрицу.
6. Получение доступа к среде процессором выходного порта.
7. Передача байтов кадра канальным процессором выходного
порта в сеть.
Этапы 2 и 3 совместить во времени нельзя, так как без знания
номера выходного порта операция коммутации матрицы не имеет
смысла.
По сравнению с режимом полной буферизации кадра, также
приведенном на рис. 15, уменьшение задержки коммутации от
конвейеризации получается ощутимой.
Коммутаторы, передающие кадры «на лету», вносят меньшие задержки передачи кадров на каждом промежуточном коммутаторе,
поэтому общее уменьшение задержки доставки данных может быть
значительным, что важно для мультимедийного трафика. В табл. 10
дается сравнение возможностей двух способов коммутации.
Средняя величина задержки коммутаторов, работающих «на
лету», при высокой нагрузке объясняется тем, что в этом случае
выходной порт часто занят приемом другого кадра, поэтому вновь
поступивший кадр для данного порта все равно приходится буферизовать.
Коммутатор, работающий «на лету», может выполнять проверку некорректности передаваемых кадров, но не может изъять плохой кадр из сети, так как часть его байт (и, как правило, большая
часть) уже переданы в сеть.
Таблица 10
Возможности коммутаторов при коммутации «на лету»
и с полной буферизацией
Функция
На лету
С буферизацией
Защита от плохих кадров
Нет
Да
Поддержка разнородных сетей
(Ethernet, Token Ring, FDDI,
ATM)
Нет
Да
Задержка передачи кадров
Низкая (5-40 мкс)
при низкой нагрузке, средняя при
высокой нагрузке
Средняя при
любой нагрузке
Поддержка резервных связей
Нет
Да
Функция анализа трафика
Нет
Да
47
Так как каждый способ имеет свои достоинства и недостатки,
в тех моделях коммутаторов, которым не нужно транслировать
протоколы, иногда применяется механизм адаптивной смены режима работы коммутатора. Основной режим такого коммутатора –
коммутация «на лету», но коммутатор постоянно контролирует
трафик и при превышении интенсивности появления плохих кадров некоторого порога переходит на режим полной буферизации.
Затем коммутатор может вернуться к коммутации «на лету».
3.3.3. Размер адресной таблицы
Максимальная емкость адресной таблицы определяет предельное количество МАС-адресов, с которыми может одновременно
оперировать коммутатор. Так как коммутаторы чаще всего используют для выполнения операций каждого порта выделенный
процессорный блок – канальный процессор со своей памятью для
хранения экземпляра адресной таблицы, то размер адресной таблицы для коммутаторов обычно приводится в расчете на один порт.
Экземпляры адресной таблицы разных канальных процессоров не
обязательно содержат одну и ту же адресную информацию – скорее
всего, повторяющихся адресов будет не так много, если только распределение трафика каждого порта между остальными портами не
полностью равновероятно. Каждый порт хранит только те наборы
адресов, с которыми он работал в последнее время.
Значение максимального числа МАС-адресов, которое может запомнить процессор порта, зависит от области применения коммутатора. Коммутаторы рабочих групп обычно поддерживают всего
несколько адресов на порт, так как они предназначены для образования микросегментов. Коммутаторы отделов должны поддерживать несколько сотен адресов, а коммутаторы магистралей сетей –
до нескольких тысяч, обычно 4000–8000 адресов.
Недостаточная емкость адресной таблицы может служить причиной замедления работы коммутатора и засорения сети избыточным трафиком. Если адресная таблица канального процессора
данного порта полностью заполнена, а он встречает новый адрес
источника в поступившем кадре, процессор должен вытеснить из
таблицы какой-либо старый адрес и поместить на его место новый.
Эта операция сама по себе отнимет у процессора часть времени, но
главные потери производительности будут наблюдаться при поступлении кадра с адресом назначения, который пришлось удалить из
адресной таблицы. Так как адрес назначения кадра неизвестен, то
коммутатор должен передать этот кадр на все остальные порты. Эта
48
операция будет создавать лишнюю работу для многих процессоров
портов, кроме того, копии этого кадра будут попадать и в те сегменты сети, где они совсем не обязательны.
Некоторые производители коммутаторов решают эту проблему за счет изменения алгоритма обработки кадров с неизвестным
адресом назначения. Один из портов коммутатора конфигурируется как магистральный порт, на который по умолчанию передаются
все кадры с неизвестным адресом. В маршрутизаторах такой прием
применяется давно, позволяя сократить размеры адресных таблиц
в сетях, организованных по иерархическому принципу.
Передача кадра на магистральный порт производится в расчете
на то, что этот порт подключен к вышестоящему коммутатору при
иерархическом соединении коммутаторов в крупной сети, который
имеет достаточную емкость адресной таблицы и знает, куда нужно
передать любой кадр.
3.3.4. Объем буфера кадров
Внутренняя буферная память коммутатора нужна для временного хранения кадров данных в тех случаях, когда их невозможно
немедленно передать на выходной порт. Буфер предназначен для
сглаживания кратковременных пульсаций трафика. Ведь даже
если трафик хорошо сбалансирован и производительность канальных процессоров портов, а также других обрабатывающих элементов коммутатора достаточна для передачи средних значений трафика, это не гарантирует, что их производительности хватит при
пиковых значениях нагрузок. Например, трафик может в течение
нескольких десятков миллисекунд поступать одновременно на все
входы коммутатора, не давая ему возможности передавать принимаемые кадры на выходные порты.
Для предотвращения потерь кадров при кратковременном многократном превышении среднего значения интенсивности трафика
(а для локальных сетей часто встречаются значения коэффициента
пульсации трафика в диапазоне 50-100) единственным средством
служит буфер большого объема. Как и в случае адресных таблиц,
каждый канальный процессор порта обычно имеет свою буферную
память для хранения кадров. Чем больше объем этой памяти, тем
менее вероятны потери кадров при перегрузках, хотя при несбалансированности средних значений трафика буфер все равно рано
или поздно переполнится.
Обычно коммутаторы, предназначенные для работы в ответственных частях сети, имеют буферную память объемом несколь49
ко десятков или сотен килобайт в расчете на порт. Хорошо, когда
эту буферную память можно перераспределять между несколькими портами, так как одновременные перегрузки по нескольким
портам маловероятны. Дополнительным средством защиты может
служить общий для всех портов буфер в центральном процессоре,
управляющим коммутатором. Такой буфер обычно имеет объем
в несколько мегабайт.
50
4. Кабельные системы для ЛВС
4.1. Иерархическая структура кабельной системы
Кабельные системы, сетевые адаптеры, концентраторы, мосты
и коммутаторы представляют наиболее массовый тип сетевого коммуникационного оборудования, на основе которого можно построить достаточно крупную ЛВС. В данном разделе рассматриваются
вопросы, связанные с реализацией рассмотренных спецификаций
физического уровня в сетевой кабельной системе.
При выборе кабеля принимаются во внимание следующие характеристики: полоса пропускания, расстояние, физическая защищенность, электромагнитная помехозащищенность, стоимость.
Типичная иерархическая структура структурированной кабельной, системы для ЛВС внутри здания включает:
– вертикальная подсистема;
– горизонтальные подсистемы (в пределах этажа).
Если ЛВС объединяет компьютеры в разных зданиях, то в иерархию кабельного хозяйства включается ещё так называемая
подсистема кампуса, охватывающая некоторую территорию с несколькими зданиями. Оптоволоконный кабель является наилучшим выбором для подсистем нескольких зданий, расположенных
в радиусе нескольких километров. Для этих подсистем также подходит толстый коаксиальный кабель. При выборе кабеля для прокладки вне зданий всегда должно учитываться воздействие внешней среды. Для предотвращения поражения молнией при внешней
проводке по воздуху лучше выбрать неметаллический оптоволоконный кабель. По многим причинам внешний кабель производится в специальной полиэтиленовой защитной оболочке высокой
плотности. При подземной прокладке кабель должен иметь специальную влагозащитную оболочку (от дождя и подземной влаги),
а также металлический защитный слой. Влагозащитный кабель
имеет прослойку из инертного газа между диэлектриком, экраном
и внешней оболочкой. Следует иметь в виду, что кабель для внешней прокладки не подходит для прокладки внутри зданий, так как
он выделяет при сгорании большое количество дыма.
Вертикальная подсистема соединяет этажи здания. Кабель
в этой подсистеме должен передавать данные на большие расстояния и с большей скоростью по сравнению с кабелем горизонтальной подсистемы. До недавнего времени основным видом кабеля для
вертикальных подсистем был толстый коаксиал. Теперь для этой
цели все чаще используется оптоволоконный или широкополосный кабели.
51
Толстый коаксиал обладает хорошими характеристиками по
пропускной способности, расстоянию и защите данных. Он используется для передачи данных, но с ним сложно работать.
Оптоволокно имеет отличные характеристики пропускной способности, расстояния и защиты данных; обладает устойчивостью к электромагнитным помехам. Оптоволокно может использоваться при передаче как голоса и видеоизображения, так и данных. Но это тип кабеля
сравнительно дорог, для него сложно выполнять ответвления.
Широкополосный кабель, используемый в кабельном телевидении, также имеет хорошие показатели по пропускной способности
и расстоянию; может передавать голос, видео и данные. Но с ним
очень сложно работать, требуются большие затраты во время эксплуатации.
Горизонтальная подсистема соединяет кроссовый шкаф этажа
с розетками пользователей. Подсистемы этого типа соответствуют
этажам здания. Вертикальная подсистема соединяет кроссовые
шкафы каждого этажа с центральным узлом, например, с вычислительным центром. С помощью кабелей горизонтальных подсистем
компьютеры конечных пользователей подключаются к ЛВС, поэтому горизонтальная подсистема характеризуется очень большим
количеством ответвлений кабеля. На этаже, а также в помещениях
этажа обычно устанавливается кроссовая панель, которая позволяет с помощью коротких отрезков кабеля, оснащенного разъемами,
провести перекоммутацию соединений между пользовательским
оборудованием и концентраторами/коммутаторами.
При этом выбор типа кабеля может осуществляться между экранированной витой парой, неэкранированной витой парой, коаксиальным кабелем и волоконно-оптическим кабелем. Возможно использование и беспроводных линий связи.
Экранированная витая пара STP, позволяет передавать данные
на большее расстояние и поддерживать больше узлов, чем неэкранированная. Наличие экрана делает ее более дорогой и не дает возможности передавать голос.
Другой тип медного провода, в частности неэкранированная
витая пара UTP, является предпочтительной средой для горизонтальной кабельной подсистемы. Неэкранированная витая пара по
характеристикам полосы пропускания и поддерживаемым расстояниям, а главное, по своей низкой стоимости более подходит для
создания горизонтальных подсистем. К тому же витая пара UTP
может передавать не только данные, но и голос, поэтому она и используется чаще.
52
Сейчас значительно реже применяются коаксиальные кабели
других типов. Однако и коаксиальный кабель (в частности тонкий
коаксиал) все еще остается одним из возможных вариантов кабеля
для горизонтальных подсистем. Особенно в случаях, когда высокий уровень электромагнитных помех не позволяет использовать
витую пару или же небольшие размеры сети не создают больших
технологических проблем с эксплуатацией кабельной системы.
4.2. Монтажные соединения в кабельной системе ЛВС
При монтаже коммутируемых сетей Ethernet и Fast Ethernet,
как отмечалось выше, используются кабели и разъёмы, определяемые в спецификациях 10BASE-T и 100BASE-TX. Типы кабелей и
разъёмов приведены в табл. 11.
Хотя сегменты кабелей на основе витой пары в ЛВС Ethernet и Fast
Ethernet используют только две пары проводов, на практике часто
применяются кабели, содержащие 4 витые пары проводов. Каждая
пара идентифицируется с помощью двух цветов близких оттенков, например, один проводник может быть полностью оранжевым, а другой
окрашен чередующимися полосками белого и оранжевого цветов.
Каждая витая пара проводов должна быть присоединена к разъёму RJ-45 вполне определенным образом. На рис. 16 показано, как
нумеруются контакты в обеих частях разъема.
Таблица 11
Спецификации кабелей и разъёмов 10BASE-T и 100BASE-TX
Кабель
Разъём
Тип
Длина
Тип
Сопротивление
10BASE-T
UTP, категория 3, 4
или 5
100 м
RJ-45
100 Ом
100BASE-TX
UTP, категория 5
100 м
RJ-45
100 Ом
Рис. 16. Нумерация контактов разъема RJ-45
53
Для монтажных соединений сетевых адаптеров, концентраторов и коммутаторов между собой могут использоваться кабели
двух типов: стандартный (прямой) и кроссированный. В табл. 12
и табл. 13 показана маркировка контактов соответственно в стандартном и кроссированном кабелях с разъемами RJ-45.
Сетевой адаптер имеет обычный порт, именуемый MDI, который
подключается к разъёму RJ-45 со стандартной разводкой контактов, которая соответствует маркировке, приведенной в табл. 12.
Для подсоединения сетевого адаптера к концентратору или коммутатору по стандартам 10BASE-T и 100BASE-TX можно использовать
Таблица 12
Наименование контактов
в стандартном (прямом) кабеле RJ-45
Номер контакта
Первый конец кабеля
Второй конец кабеля
1
TX+
TX+
2
TX-
TX-
3
RX+
RX+
4
Резервный
Резервный
5
Резервный
Резервный
6
RX-
RX-
7
Резервный
Резервный
8
Резервный
Резервный
Таблица 13
Наименование контактов в кроссированном кабеле RJ-45
54
Номер контакта
Первый конец кабеля
Второй конец кабеля
1
TX+ (RX+)
RX+ (TX+)
2
TX- (RX-)
RX- (TX-)
3
RX+ (TX+)
TX+ (RX+)
4
Резервный
Резервный
5
Резервный
Резервный
6
RX- (TX-)
TX- (RX-)
7
Резервный
Резервный
8
Резервный
Резервный
Концентратор/коммутатор
Порт MDI-X
– RX– –
–
– TX– –
–
1
2
3
4
5
6
7
8
1
2
3
4
5
6
7
8
1
2
3
4
5
6
7
8
1
2
3
4
5
6
7
8
Бело -Оранжевый
Оранжевый
Бело -Зеленый
Синий
Бело -Синий
Зеленый
Бело-Коричневый
Коричневый
Бело-Оранжевый
Оранжевый
Бело-Зеленый
Синий
Бело-Синий
Зеленый
Бело-Коричневый
Коричневый
Сетевой адаптер
Порт MDI
TX+ TX– RX+ +–
RX+ RX– TX+ –
Стандартный кабель RJ-45
Рис. 17. Прямое соединение с помощью стандартного кабеля
стандартный (прямой) соединительный кабель, не кроссирующий
контакты. Дело в том, что обычно в концентраторах так же, как и
в коммутаторах, порты RJ-45, предназначенные для подключения
сетевых адаптеров и называемые MDI-X (кроссированные MDI),
имеют инвертированную разводку контактов разъема, чтобы сетевой адаптер можно было подключить к концентратору с помощью
стандартного соединительного кабеля (рис. 17).
Как видно, в стандартном кабеле пара 1-2 всегда требуется для
передачи данных от порта MDI к порту MDI-X, а пара 3-6 – для приема данных портом MDI от порта MDI-X
Для соединения между собой концентраторов и коммутаторов
стандартов 10BASE-T и 100BASE-TX в иерархическую систему
можно применять те же порты, что и для подключения конечных
станций, с учетом одного обстоятельства. В случае соединения концентраторов через стандартные для них порты MDI-X приходится
использовать нестандартный кабель с перекрестным соединением
пар – кроссированный кабель (рис. 18).
55
– TX– –
–
–
– TX–
–
–
1
2
3
4
5
6
7
8
1
2
3
4
5
6
7
8
1
2
3
4
5
6
7
8
1
2
3
4
5
6
7
8
Оранжевый
Бело-Зеленый
Синий
Бело- Синий
Зеленый
Бело-Коричневый
Коричневый
Бело-Зеленый
Зеленый
Бело-Оранжевый
Синий
Бело-Синий
Оранжевый
Бело-Коричневый
Коричневый
RX+ RX– TX+ –
Концентратор/коммутатор
Порт MDI-X
Бело-Оранжевый
Концентратор/коммутатор
Порт MDI-X
RX+ RX– TX+
Кроссированный кабель RJ-45
Рис. 18. Соединение портов MDI-X с помощью кроссированного кабеля
Как следует из Рис. 18. Соединение портов MDI-X с помощью
кроссированного кабеля, в кроссированном кабеле пары 1-2 и 3-6
соединены крест-накрест (см. также табл. 11).
В тех случаях, когда изготовители оборудования снабжают концентратор или коммутатор выделенным портом MDI, в котором нет
кроссирования пар, то, например, два концентратора можно соединить стандартным (прямым) кабелем, если это делать через порт
MDI-X одного концентратора и порт MDI второго аналогично тому,
как показано на рис. 17. Прямое соединение с помощью стандартного кабеля. У некоторых изготовителей один порт концентратора
может работать и как порт MDI-X, и как порт MDI, в зависимости
от положения кнопочного переключателя.
Общие принципы соединения коммутационного оборудования
технологий 10BASE-T и 100BASE-TX сведены в табл. 14.
Так как протокол Fast Ethernet позволяет за счет процедуры
автопереговоров автоматически выбрать скорость работы сетевого
адаптера в зависимости от возможностей концентратора, то многие
56
Таблица 14
Условия для применения
стандартных и кроссированных кабелей
Тип порта
1-го концентратора/ коммутатора 10/100
Тип порта
2-го концентратора/ коммутатора 10/100
Тип используемого
кабеля
MDI-X
MDI-X
Кроссированный
MDI-X
MDI
Стандартный
MDI
MDI-X
Стандартный
MDI
MDI
Кроссированный
адаптеры Ethernet сегодня поддерживают две скорости работы 10 и
100 Мбит/с и имеют в своем названии приставку 10/100. Это свойство некоторые изготовители оборудования называют авточувствительностью (autosensing).
4.3. Описание лабораторного комплекса
В состав лабораторного комплекса, предназначенного для практического освоения правил построения ЛВС Fast Ethernet и изучения сетевого аппаратного обеспечения, входят следующие устройства, размещенные в кроссовый коммутационный шкаф:
– концентратор – Intel InBusiness 5 Port Hub 10 Мбит/с;
– концентратор – Intel InBusiness 4 Port 100 Мбит/с Fast Hub
с авточувствительностью 10/100 Мбит/с;
– коммутатор – 24 Port 100 Мбит/с;
– коммутатор – Intel InBusiness 8-Port 10/100 Мбит/с;
– коммутатор – SMC 16008 8Port 10/100 Mbps Switch;
– коммутатор – 3Com 32024 24Port 10/100 Mbps Switch;
– кроссовая панель – 24 Port Category 5 Enhanced Modular/110
Patch Panel.
Структура лабораторного комплекса представлена на рис. 19.
В настенном коммутационном блоке расположена кроссовая панель, с помощью которой осуществляется перекоммутация всех
устройств. Порты всех коммутационных устройств – концентраторов и коммутаторов – с помощью кабелей UTP категории 5 могут
быть подключены к гнездам на передней стороне кроссовой коммутационной панели. На передней стороне кроссовой панели находятся 24 гнезда под разъёмы RJ-45. Сетевые адаптеры 10 компьютеров лаборатории с помощью стандартных (прямых) кабелей
UTP на постоянной основе подключены к первым десяти позици57
Кроссовый
коммутационный
блок
Кроссовая
панель
Коммутатор
24 порта
Коммутатор
8 портов
Стандартные
кабели UTP
Кабели UTP
с разъемами RJ45
Концентратор 4 порта
Коммутатор 8 портов
1
2
10
Рис. 19. Общий вид лабораторного комплекса
ям кросс-панели. Для этого один конец стандартного кабеля закреплен в специальных контактных колодках на задней стороне
кроссовой панели в соответствии с цветовой маркировкой витых
пар. На другой конец кроссового кабеля напрессован разъём RJ-45,
который вставляется в гнездо сетевого адаптера соответствующего
компьютера.
В соответствии с заданием с передней стороны кроссовой панели с помощью коротких кабелей – перемычек (как стандартных,
так и кроссированных) необходимо осуществить соединение компьютеров с портами концентраторов и коммутаторов, а также при
необходимости соединение друг с другом портов концентраторов и
коммутаторов.
На передней стороне кросс-панели используются только первые десять гнезд под разъёмы RJ-45. Расположение первых десяти
гнезд разъемов кроссовой панели и всех портов концентраторов и
коммутаторов показан на рис. 20.
Примечание: на концентраторе и коммутаторе Intel выделены
серым цветом те гнезда разъёмов, которые нельзя использовать
58
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Номера
компьютеров
Кроссовая панель
...
24
Коммутатор 3COM 24 порта
1
2
3
4
5
6
1
7
2
8
9
10
11
12
13
1
14
2
15
16
17
18
19
1
20
2
21
22
23
24
Все порты типа MDI/MDI-X
10/100 Мбит/с
Коммутатор SMC 8 портов
1
2
3
4
5
6
1
7
2
8
Все порты типа MDI/MDI-X 10/100 Мбит/с
Концентратор Intel 4 порта
1
4
Out
to
Hub
Out
to
Hub
MDI
2
3
2
10/100
Мбит/с
1
Порты MDI-X
Коммутатор Intel8 портов
1
MDI
2
3
4
5
6
1
7
2
8
Порты MDI-X 10/100 Мбит/с
Рис. 20. Маркировка разъёмов на кроссовой панели
и коммутационных устройствах
одновременно. Например, при подключении к 8-ми портовому
коммутатору Intel какого-либо коммутационного устройства или
компьютера через соответствую позицию кросс-панели необходимо
использовать порт 1 или порт «Out to Hub». Таким образом, одновременно использовать гнезда разъёмов портов 1 и «Out to Hub»
коммутатора Intel, а также – портов 4 и «Out to Hub» концентратора Intel запрещается.
59
5. Лабораторный практикум по структуризации
ЛВС Ethernet/Fast Ethernet
5.1. Лабораторные работы по физической
структуризации ЛВС
5.1.1. Лабораторная работа 1: Физическая структуризация ЛВС
с использованием повторителей
Цель работы: Изучение методов физической структуризации
ЛВС Ethernet и Fast Ethernet с разделяемой средой и принципов
работы коммуникационных устройств, используемых для физической структуризации сети.
Содержание отчета:
– Описание работы повторителя и концентратора.
– Выбор оптимальной физической топологии ЛВС Ethernet на основе повторителей с учетом ограничений заданных спецификаций.
– Для заданного варианта построить структуру ЛВС Ethernet на
базе повторителей с учетом ограничений, определяемых как правило 5-4-3.
– Определить максимальное число компьютеров в сети соответствии с ограничениями в спецификациях и правилом 5-4-3
– Расчет времени двойного оборота сигнала коллизии PDV для заданного варианта сети. На схеме сети показать события и участников эксперимента, на основании которого проводился расчет PDV.
– Расчет сокращения межкадрового интервала PVV для заданного варианта сети и определение диапазонов изменения межкадрового интервала IPG для всех абонентов сети (источников и приемников кадров).
– Определение максимального диаметра сети Ethernet на основе
повторителей для заданного варианта сети.
Практическое задание: Сборка и конфигурирование заданных
вариантов ЛВС с использованием кроссовой панели. Проверка работоспособности ЛВС.
5.1.2. Лабораторная работа 2: Построение ЛВС Fast Ethernet
с разделяемой средой на основе концентраторов
Цель: Освоение методов построения физических сегментов ЛВС
Ethernet и с разделяемой средой и изучение особенностей построения
сегментов Fast Ethernet при использовании концентраторов.
Содержание отчета:
– Описание работы концентраторов класса I и класса II.
– Применение правила «4-х концентраторов» при построении ЛВС
Ethernet и правила «2-х концентраторов» для ЛВС Fast Ethernet.
60
– Для заданного варианта построить структуру ЛВС Fast
Ethernet на базе концентраторов.
– Расчет времени двойного оборота сигнала коллизии PDV для
заданного варианта сети.
– Определение максимального диаметра сети Ethernet / Fast
Ethernet на основе концентратора.
– Расчет максимальной производительности сети для заданной
длины кадра.
– Подготовка монтажной схемы для конфигурируемого фрагмента сети.
Практическое задание: Сборка и конфигурирование заданных
вариантов ЛВС с использованием различных типов кабелей на базе
кроссовой панели. Проверка работоспособности ЛВС.
5.1.3. Варианты контрольных вопросов и заданий
1. Поясните разницу между расширяемостью и масштабируемостью на примере технологии Ethernet.
2. Что такое коллизия:
– (А) ситуация, когда станция, желающая передать кадр, обнаруживает, что в данный момент другая станция уже заняла передающую среду;
– (В) ситуация, когда две рабочие станции одновременно передают данные в разделяемую передающую среду.
3. В чем состоят функции преамбулы и начального ограничителя кадра в стандарте Ethernet?
4. Чему равны значения следующих характеристик стандарта
10Base-5:
– номинальная пропускная способность (бит/с);
– эффективная пропускная способность (бит/с);
– пропускная способность (кадр/с);
– внутрикадровая скорость передачи (бит/с);
– межбитовый интервал (с).
5. Что произойдет, если в сети, построенной на концентраторах,
имеются замкнутые контуры (например, как на рис. 21)?
– (А) сеть будет работать нормально;
– (В) кадры не будут доходить до адресата;
– (С) в сети при передаче любого кадра будет возникать коллизия;
– (D) произойдет зацикливание кадров.
6. Какие сетевые средства осуществляют jabber control?
7. Поясните смысл каждого поля кадра Ethernet.
8. Как известно, имеются 4 стандарта на формат кадров Ethernet.
Выберите из ниже приведенного списка названия для каждого из
61
Концентратор
Концентратор
Концентратор
Концентратор
Концентратор
Рис. 21. Сеть с петлями, построенная на концентраторах
этих стандартов. Учтите, что некоторые стандарты имеют несколько названий:
– Novell 802.2;
– Ethernet II;
– 802.3/802.2
– Novell 802.3;
– Raw 802.3;
– Ethernet DIX;
– 802.3/LLC;
– Ethernet SNAP.
9. Что может произойти в сети, в которой передаются кадры
Ethernet разных форматов?
10. При каких типах ошибок в сети Ethernet концентратор обычно отключает порт?
11. Как величина MTU влияет на работу сети? Какие проблемы
несут слишком длинные кадры? В чем состоит неэффективность
коротких кадров?
12. Как коэффициент использования влияет на производительность сети Ethernet?
13. Для какой сети действуют ограничения, определяемые, как
правило «5-4-3», и в чем они заключаются?
14. Если один вариант технологии Ethernet имеет более высокую
скорость передачи данных, чем другой (например, Fast Ethernet и
Ethernet), то какая из них поддерживает большую максимальную
длину сети?
15. Из каких соображений выбрана максимальная длина физического сегмента в стандартах Ethernet?
16. Проверьте корректность конфигурации сети Fast Ethernet,
приведенной на рис.22.
62
5м
Концентратор класса II
Fast Ethernet (Tx)
5м
Концентратор класса II
Fast Ethernet (Tx)
Концентратор класса II
Fast Ethernet (Tx)
Сегменты
UTP Cat 5
≤50 м
Сегменты
UTP Cat 5
≤50 м
Рис. 22. Пример конфигурации сети
17. Опишите алгоритм доступа к среде технологии Token Ring.
18. Какие из ниже перечисленных пар сетевых технологий совместимы по форматам кадров и, следовательно, позволяют образовывать составную сеть без необходимости транслирования кадров:
– (А) FDDI – Ethernet;
– (В) Token Ring – Fast Ethernet;
– (С) Token Ring – 100VG-AnyLAN;
– (D) Ethernet – Fast Ethernet;
– (Е) Ethernet – 100VG-AnyLAN;
– (F) Token Ring – FDDI.
19. С чем связано ограничение, известное как «правило 4-х концентраторов»?
5.2. Лабораторные работы по логической
структуризации ЛВС
5.2.1. Лабораторная работа 3: Способы коммутации кадров в ЛВС
на основе коммутатора
Цель: Изучение методов логической структуризации ЛВС и
принципов работы коммуникационных устройств, используемых
для логической сегментации сети.
Содержание отчета:
Описание работы заданного типа коммутатора.
Построение временных диаграмм работы коммутатора для сравнительного анализа двух способов коммутации кадров по заданному варианту.
Оценка заданных характеристик коммутатора для заданного варианта параметров. Полученные значения параметров коммутатора показать на временных диаграммах
Практическое задание:
Подготовка монтажной схемы для заданного фрагмента сети.
63
Сборка и конфигурирование заданного варианта ЛВС с использованием кроссовой панели. Проверка работоспособности ЛВС.
5.2.2. Лабораторная работа 4: Локализация трафика в ЛВС
с коммутируемой средой
Цель: Изучение методики логической структуризации и правил
построения одноранговой ЛВС на базе концентраторов и коммутаторов.
Содержание отчета:
– Описание методики локализации трафика при использовании
логической сегментации.
– Построение разделяемых сред в ЛВС Ethernet / Fast Ethernet
с учетом ограничений заданных спецификаций.
– Выбор оптимальной топологии ЛВС на основе коммутатора и
концентраторов для заданного варианта.
– Расчет величины трафика до и после логической сегментации.
– Подготовка монтажной схемы для конфигурируемого фрагмента сети.
Практическое задание: Сборка и конфигурирование заданного
варианта ЛВС с использованием кроссовой панели. Проверка работоспособности ЛВС.
5.2.3. Варианты контрольных вопросов и заданий
– Что такое структурированная кабельная система?
– Укажите в таблице применимость того или иного типа кабеля
для разных подсистем.
Данные
Неэкранированная
витая пара
Экранированная витая
пара
Толстый коаксиальный кабель
Тонкий коаксиальный
кабель
Оптоволоконный
кабель
Беспроводная связь
64
Горизонтальная подсистема
Вертикальная
подсистема
Подсистема
кампуса
1. Как влияет на производительность сети пропускная способность сетевого адаптера и пропускная способность порта концентратора?
2. Имеются ли отличия в работе сетевых адаптеров, соединяющих
компьютер с коммутатором или с мостом, или с концентратором?
3. Как концентратор поддерживает резервные связи?
4. В соответствии с основной функцией концентратора – повторением сигнала – его относят к устройствам, работающим на физическом уровне модели OSI. Приведите примеры дополнительных
функций концентратора, для выполнения которых концентратору
требуется информация протоколов более высоких уровней?
5. Чем модульный концентратор отличается от стекового?
6. Почему для соединения концентраторов между собой используются специальные порты?
7. Каким образом мост/коммутатор строит свою внутреннюю таблицу?
8. Что случится, если во время работы моста/коммутатора произойдет реконфигурация сети, например, будут подключены новые
компьютеры?
9. О чем говорит размер внутренней адресной таблицы моста?
Что произойдет, если таблица переполнится?
10. Можно ли утверждать, что у любого моста скорости продвижения не выше скорости фильтрации?
11. Что нужно сделать администратору сети, чтобы мосты, не
поддерживающие алгоритм Spanning Tree, правильно работали
в сети с петлями?
12. Чем объясняется, что минимальный размер кадра в стандарте 10Base-5 был выбран равным 64 байт?
13. Что такое домен коллизий? Являются ли доменами коллизий фрагменты сети, показанные на рис. 23?
14. Какие дополнительные возможности имеют мосты, поддерживающие алгоритм Spanning Tree?
15. В чем отличие между резервированием связей маршрутизаторами, с одной стороны, и мостами, поддерживающими алгоритм
Spanning Tree, с другой стороны?
16. Пусть на предприятии имеются две изолированные рабочие
группы, в каждой из которых имеется свой сервер. В каких случаях лучше использовать:
– Два отдельных концентратора?
– 18. Два концентратора, объединенные в стек?
– Один общий концентратор с большим количеством портов?
65
Router
E
Bridge
Switch
D
Switch
B
A
Hub
C
Hub
F
Рис. 23. Домены коллизий
17. Пусть на предприятии в одном отделе установлена сеть с разделяемой средой, а в другом отделе – сеть с одним выделенным сервером. Каждая из сетей построена на основе одного концентратора.
В каком отделе замена концентратора коммутатором может привести к существенному росту производительности? Рассмотрите следующие варианты замены концентратора на коммутатор:
– (А) концентратор имеет порты’ 10 Мбит/с, коммутатор имеет
все порты 10 Мбит/с;
– (В) концентратор имеет порты 10 Мбит/с, коммутатор имеет
порты 10 Мбит/с и 1 порт 100 Мбит/с;
– (С) концентратор имеет порты 100 Мбит/с, коммутатор имеет
все порты 100 Мбит/с.
18. В области сетевых технологий явно наметилась тенденция
к использованию индивидуальных связей компьютеров с коммуникационными устройствами (в отличие от подключения к портам
сегментов). С чем это связано?
19. Почему полнодуплексный Ethernet не поддерживается
в концентраторах?
20. Каким образом коммутатор может управлять потоком кадров, поступающих от сетевых адаптеров станций сети?
21. Существуют маршрутизаторы, работающие в режиме моста
на некоторых портах. Можно ли создать маршрутизатор или ком66
мутатор, который способен работать в режиме концентратора на
тех же портах, на которых выполняется маршрутизация?
22. Можно ли соединить транслирующим коммутатором сегменты, в которых установлено разное максимальное значение поля
данных?
23. Имеется ли специфика в использовании мостов и коммутаторов? Приведите примеры, когда замена моста коммутатором не
повышает производительности сети.
24. Почему недорогие коммутаторы, выполняющие ограниченное число функций, обычно работают по быстрому алгоритму обработки кадров «на лету», а дорогие коммутаторы, с большим числом
функций – по более медленному алгоритму буферизации кадров?
25. Какая информация содержится в таблицах мостов/коммутаторов и маршрутизаторов?
Рекомендуемая литература
1. Компьютерные сети: Принципы, технологии, протоколы: учеб. пособие / В. Г. Олифер, Н. А. Олифер. 4-е изд. СПб.:
ПИТЕР, 2015. 944 с.
2. Основы локальных сетей / Ю.В. Новиков, С.В. Кондратенко/
ИНТУИТ.ру, 2005.
3. Базовые технологии локальных сетей / Н. А. Олифер,
В. Г.  Олифер. ЦИТ, 1999.
4. Средства анализа и оптимизации локальных сетей / Н.А. Олифер, В.Г. Олифер, ЦИТ. http://www.citmgu.ru.
5. Локальные сети на основе коммутаторов / В. Г. Олифер, Н. А.
Олифер. Информационно-аналитические материалы, ЦИТ. http://
www.citmgu.ru.
67
Содержание
Введение...................................................................................
3
1. Методика расчета конфигурации ЛВС Ethernet...........................
1.1. Метод доступа CSMA/CD..................................................
1.2. Определение домена коллизий..........................................
1.3. Время двойного оборота и распознавание коллизий..............
1.4. Общие характеристики стандартов
Ethernet 10 Мбит/с.........................................................
5
5
7
10
2. Методика построения сегментов ЛВС Fast Ethernet .....................
2.1. Ограничения длин сегментов DTE-DTE...............................
2.2. Ограничения для сетей Fast Ethernet,
построенных на концентраторах.......................................
2.3. Эффективность ЛВС с единой разделяемой средой................
25
25
3. Логическая Структуризация ЛВС
с помощью коммутаторов............................................................
3.1. Преимущества логической структуризации сети..................
3.2. Основы функционирования коммутаторов..........................
3.3. Характеристики, влияющие на
производительность коммутаторов...................................
4. Кабельные системы для ЛВС....................................................
4.1. Иерархическая структура кабельной системы.....................
4.3. Описание лабораторного комплекса...................................
5. Лабораторный практикум по Структуризации
ЛВС Ethernet/Fast Ethernet........................................................
5.1. Лабораторные работы по физической
структуризации ЛВС......................................................
5.2. Лабораторные работы по логической
структуризации ЛВС......................................................
Рекомендуемая литература.........................................................
68
13
26
30
34
34
38
43
51
51
57
60
60
63
67
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
3 042 Кб
Теги
gorbachev
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа