Бесплатный фрагмент - Сетевые технологии Ethernet

Введение

Сегодня сложно себе представить общество, где бы ни использовались информационные технологии. Человечество прилагает огромные усилия, ставя своей целью достижение следующей постиндустриальной стадии развития — информационной. Обширная компьютеризация, распространение средств телекоммуникаций и связанный с этим возросший поток информации предъявляет повышенные требования к современному человеку, как к создателю и потребителю цифровых информационных услуг. В этих условиях эффективное владение современными информационными технологиями становиться важным преимуществом профессионала, повышает его ценность в информационном социуме. Компьютерные сети являются важным элементом инфраструктуры обработки данных уже более 50-и лет. За это время был совершен гигантский скачок в развитии технологий передачи данных, существенно расширились возможности сетей. Сближение компьютерных и телекоммуникационных сетевых технологий позволило сетям достичь следующей стадии развития — мультисервисная сеть или NGN (new generation networks).

Учебное пособие «Сетевые технологии Ethernet» призвано познакомить читателей с одной из самых популярных на сегодняшний день технологией локальных вычислительных сетей. Будучи стандартизированной институтом IEEE в начале 80-х гг., Ethernet стала самой распространённой технологией, вытеснив своих конкурентов, благодаря простоте, экономичности, доступности, широкой поддержке ведущих производителей отрасли. IEEE активно развивает стандарт, используя последние достижения науки и техники, несколько лет назад был стандартизирован 100GEthernet — безусловно, это можно назвать знаменательным событием.

Пособие предназначено для студентов высшего образования направления 09.03.01 «Информатика и вычислительная техника», может использоваться в качестве дополнительного источника литературы при изучении дисциплин «Сети и телекоммуникации», «Компьютерные сети».

Стандарты локальных сетей

Все технологии локальных сетей имеют изначально фирменное происхождение, так Ethernet разработана компанией Xerox, Token Ring появилась в IBM. Международная стандартизация технологий локальных сетей позволила сделать их доступными для производителей сетевого оборудования и пользователей

Основным разработчиком стандартов локальных сетей является комитет 802, организованный в 1980 году в Институт инженеров электротехники и электроники IEEE. В рамках этого комитета были образованы подкомитеты 802.1, 802.2,…, в которых разрабатываются стандарты разных уровней IEEE-модели и различных технологий построения ЛВС (рис. 1).

Стандарты IEEE 802 охватывают только два нижних уровня семиуровневой эталонной модели ISO/OSI — физический и канальный, отражая тем самым специфику локальных сетей (рис. 2).

Подкомитет 802.3 занимается разработкой стандарта метода коллективного доступа для локальных сетей CSMA/CD (множественный доступ с контролем несущей и проверкой коллизий) известный также как Ethernet.

Основу стандарта 802.3 составила технология экспериментальной сети Ethernet Network, которую фирма Xerox разработала и реализовала в 1975 году. В 1980 году фирмы DEC, Intel и Xerox (сокращенно — DIX) совместно разработали и опубликовали стандарт Ethernet версии II для сети, построенной на основе коаксиального кабеля. Эту последнюю версию фирменного стандарта Ethernet называют стандартом Ethernet DIX, или Ethernet II. На базе стандарта Ethernet DIX был разработан стандарт IEEE 802.3, который имеет следующие отличия:

— канальный уровень разбит на два подуровня: MAC и LLC;

— внесены некоторые изменения в формат кадра при тех же минимальных и максимальных размерах кадров.

В зависимости от физической среды передачи данных IEEE 802.3 предусматривает различные варианты реализации ЛВС на физическом уровне:

— 10Base-5 — толстый коаксиальный кабель;

— 10Base-2 — тонкий коаксиальный кабель;

— 10Base-T — витая пара;

— 10Base-F — оптоволокно.

В 1995 году был принят стандарт Fast Ethernet с пропускной способностью среды передачи 100 Мбит/с, который представлен в виде дополнительного раздела 802.Зu к стандарту IEEE 802.3.

В 1998 году принят стандарт Gigabit Ethernet, описанный в разделе 802.3z для ЛВС с пропускной способностью 1 Гбит/с.

В 2002 году утверждена спецификация IEEE 802.Зае для ЛВС с пропускной способностью 10 Гбит/с (10 Gigabit Ethernet), предусматривающая использование волоконно-оптических кабелей.

В июне 2010 года принят стандарт IЕЕЕР802.3bа для ЛВС с пропускными способностями 40 Гбит/с и 100 Гбит/с: 40 Gigabit Ethernet (40GbE) и 100 Gigabit Ethernet (l00GbE).

Физический уровень Ethernet

Кабельная система сети Ethernet является коммуникационной средой, по которой перемещаются кадры данных. Стандарт физического уровня содержит описание (спецификации) кабелей различных типов, пригодных для реализации сетей с методом доступа CSMA/CD.

Обозначение спецификаций физического уровня в соответствии со стандартом 802.3:

[CII] Base- [TK],

где [СП] — скорость передачи в Мбит/с — может принимать значения 10, 100, 1000, а в случае гигабитных скоростей — 1G, 10G, 40G, …;

Base — метод передачи, означающий основополосную передачу (Baseband);

[ТК] — тип кабеля:

— 2 — тонкий коаксиальный;

— 5 — толстый коаксиальный;

— Т — витая пара (Twisted pair);

— F — волоконно-оптический (Fiber).

Основополосная (прямая, немодулированная) передача (baseband) — метод передачи данных, при котором цифровой сигнал направляется непосредственно в среду передачи без модуляции несущей, при этом вся полоса пропускания используется для передачи только одного цифрового сигнала. Этот метод удобен для передачи данных по каналам с широкой полосой пропускания на небольшие расстояния и характеризуется простотой и дешевизной реализации, в связи с чем широко используется в ЛВС.

Широкополосная передача (broadband) — метод передачи данных, основанный на частотном FDM, временном TDM или волновом WDM уплотнении и создании нескольких частотных или временных каналов, по которым независимо друг от друга могут передаваться несколько потоков данных.

Для всех вариантов физического уровня технологии Ethernet, обеспечивающих пропускную способность 10 Мбит/с, используется манчестерское кодирование.

Стандарт IEEE 802.3 определяет ограничения, налагаемые на размер ЛВС Ethernet:

— максимальное число станций в сети — 1024;

— максимальная протяженность сети — 3—4 км;

— максимальная длина сегмента сети (расстояние между крайними станциями), зависящая от типа передающей среды:

— 500 метров — для толстого коаксиального кабеля;

— 185 метров — для тонкого коаксиального кабеля;

— 100 метров — для витой пары;

— 2000 метров — для оптоволоконного кабеля.

Основными топологиями ЛВС Ethernet являются:

— «общая шина», в которой в качестве среды передачи данных используется коаксиальный кабель;

— «звезда», в которой центральным узлом является концентратор, а в качестве среды передачи данных используется витая пара или оптоволоконный кабель (рис. 3).

Спецификация 10Base-5

10Base-5 — стандарт физического уровня, являющийся частью стандарта IEEE 802.3 и описывающий работу сети Ethernet на толстом коаксиальном кабеле (thick Ethernet), используемом в качестве основной магистрали.

Рабочие станции подключаются к магистральному кабелю с помощью трансиверного кабеля, состоящего из 4-х витых пар длиной до 50 м, и приемопередатчика (трансивера), расположенного непосредственно на коаксиальном кабеле. Трансивер представляет собой электрическое устройство, осуществляющее физическую передачу и приём данных.

Расстояние между соседними трансиверами должно быть кратно 2,5 м для исключения влияния стоячих волн в кабеле на качество передачи сигнала. На концах магистрального кабеля располагаются терминаторы, поглощающие распространяющийся в кабеле информационный сигнал и препятствующие возникновению отражённого сигнала, искажающего полезный сигнал.

Таким образом, основные ограничения для одного сегмента ЛВС Ethernet в соответствии со спецификацией 10Base-5 имеют вид:

— максимальная длина сегмента (расстояние между крайними узлами) — 500 м;

— минимальное расстояние между трансиверами — 2,5 м;

— максимальное число узлов (трансиверов) на сегменте — 100;

— максимальная длина трансиверного кабеля — 50 м.

Стандарт 10Base-5 допускает построение многосегментных сетей с использованием повторителей. На рис. 4 показана двухсегментная сеть.

Максимальное количество сегментов в сети, допускаемое стандартом, равно 5. Это ограничение обусловлено тем, что повторители только усиливают сигналы, не восстанавливая их форму, что при большом количестве сегментов в сети может привести к появлению значительного процента ошибок.

При построении многосегментной сети необходимо учитывать следующие ограничения:

— сеть может состоять из 5 сегментов, соединенных через повторители;

— в трёх сегментах можно подключать к кабелю до 100 узлов; два других сегмента используются только для увеличения общей протяженности сети;

— повторитель рассматривается как специальный узел, подключенный к сети, поэтому в центральном сегменте с двумя повторителями допускается иметь только 98 станций.

Правило построения многосегментной сети с такими ограничениями получило название «5-4-3», означающее 5 сегментов соединяются с помощью 4-х повторителей, причём нагруженными являются только 3 сегмента.

Таким образом, одна сеть Ethernet 10Base-5:

— может содержать не более 296 узлов (рабочих станций);

— иметь диаметр (максимальную длину кабеля) — не более 2,5 км.

Спецификация 10Base-2

10Base-2 — стандарт физического уровня, утвержденный комитетом IEEE 802.3, описывающий работу сети Ethernet на тонком коаксиальном кабеле (thin Ethernet — тонкий Ethernet, иначе ещё называемый Cheapernet — дешевый Ethernet).

Согласно этой спецификации недопустимо использование отводов к рабочим станциям. Станции подключаются непосредственно к основной магистрали через Т-образные BNC-разъемы (рис. 5). Таким образом, тонкий коаксиальный кабель проходит через сетевые адаптеры всех станций. В остальном, принципы и правила построения одно- и многосегментных ЛВС на тонком и толстом коаксиальном кабеле аналогичны.

Отличие — только в ограничениях на размер сети и количество станций.

Основные ограничения для ЛВС Ethernet в соответствии со спецификацией 10Base-2 имеют вид:

— максимальная длина сегмента (расстояние между крайними узлами) — 185 м;

— максимальное число узлов на сегменте — 30;

— минимальное расстояние между узлами — 1 м;

— многосегментная сеть строится по правилу «5-4-3»: максимально 5 сегментов, 4 повторителя, причём нагруженными являются 3 сегмента;

— в каждом из трёх (средний и два крайних) сегментов можно подключать к кабелю до 30 узлов;

— два других сегмента используются только для увеличения общей протяженности сети, к ним нельзя подсоединять станции;

— повторитель рассматривается как специальный узел, подключенный к сети, поэтому в сети с двумя повторителями допускается иметь только 28 станций.

Таким образом, одна сеть Ethernet 10Base-2:

— может содержать не более 86 узлов;

— иметь диаметр (максимальную длину кабеля) — не более 925 м.

Спецификация 10Base-T

Спецификация 10Base-T, описывает сеть Ethernet с топологией типа «звезда» и кабельной системой на основе неэкраиироваииой витой пары (UTP — unshielded twisted pair). Согласно спецификации 10Base-T сегментом сети является кабель, соединяющий рабочую станцию и концентратор. Это означает, что к каждому сегменту может быть подключено лишь два устройства: станция и концентратор, а количество сегментов равно количеству подключённых к концентратору станций. Назовём такой вид сегмента — микросегментом, поскольку традиционно под сегментом понимается часть сети, не содержащая устройств канального или сетевого уровня (мостов, коммутаторов, маршрутизаторов и т.п.), представляющая единый «домен коллизий».

При построении многосегментной сети Ethernet 10Base-T используется правило «4-х хабов», которое гласит, что между любыми двумя станциями в сети должно быть не более 4-х концентраторов (хабов) (рис. 6).

Основные ограничения для ЛВС Ethernet в соответствии со спецификацией 10Base-T имеют вид:

— максимальная длина кабеля (между концентратором и рабочей станцией или между двумя концентраторами) — 100 м;

— число концентраторов между любыми станциями — не более 4;

— максимальный диаметр сети — 500 м;

— максимальное количество станций в сети — 1024.

Отметим, что максимальное количество станций в ЛВС Ethernet, равное 1024, может быть достигнуто только для спецификации 10Base-T за счёт применения 32-х портовых концентраторов. В то же время для сетей, построенных на коаксиальном кабеле (10Base-5 и 10Base-2), это значение не достижимо.

Благодаря меньшей стоимости кабельной системы и возможности построения сетей с максимально допустимым количеством станций, сети 10Base-T получили доминирующее положение на рынке и практически полностью вытеснили сети, построенные на коаксиальном кабеле.

Спецификация 10Base-F

10Base-F — совокупность стандартов физического уровня, описывающих работу сети Ethernet на волоконно-оптическом кабеле с пропускной способностью 10 Мбит/с. В качестве среды передачи данных в оптоволоконной сети Ethernet используется многомодовый волоконно-оптический кабель (ВОК).

Структурная организация сети аналогична стандарту 10Base-T: сетевые адаптеры рабочих станций соединяются с многопортовым повторителем (концентратором) с помощью ВОК и образуют физическую топологию «звезда».

10Base-F включают в себя следующие стандарты.

1. Стандарт FOIRL (Fiber Optic Inter-Repeater Link):

— длина оптоволоконного кабеля между повторителями — до 1 км;

— максимальное число повторителей — 4;

— максимальный диаметр сети — 2500 м.

2. Стандарт 10Base-FL (Fiber Link) — улучшенный вариант стандарта FOIRL, заключающийся в увеличении мощности передатчиков, за счёт чего максимальное расстояние между узлом и повторителем может достигать 2000 м, при этом:

— максимальное число повторителей — 4;

— максимальный диаметр сети — 2500 м.

3. Стандарт 10Base-FB (Fiber Backbone) предназначен только для объединения повторителей в магистраль, при этом:

— между узлами сети можно установить до 5 повторителей стандарта 10Base-FB;

— максимальная длина одного сегмента — 2000 м;

— максимальный диаметр сети — 2740 м.

В отличие от ранее рассмотренных сетей, повторители, используемые в ЛВС Ethernet 10Base-FB, при отсутствии кадров для передачи обмениваются специальными последовательностями сигналов, что позволяет постоянно поддерживать синхронизацию в сети. Поэтому ЛВС, построенную по стандарту 10Base-FB, называют «синхронный Ethernet». Благодаря меньшим задержкам при передаче данных из одного сегмента в другой, количество повторителей увеличено до 5.

В табл. 1 сведены основные параметры стандартов оптических сетей Ethernet 10Base-F.