Fast Ethernet ГРИГОРЬЕВ В А 2015 Тверь 2015

Fast Ethernet ГРИГОРЬЕВ В. А. 2015 Тверь 2015 1

Fast Ethernet. Содержание: Gigabit Ethernet История. Основные достоинства технологии. Решаемые проблемы. Физический уровень. Преимущества гигабитных сетей. Что сохранил Gigabit Ethernet. Функции физического уровня. Спецификации физического уровня. Полу- и полнодуплексные протоколы. Что не поддерживает Gigabit Ethernet. Общее для всех спецификаций. Структура стандарта. Физический уровень 100 Base-FX. GMII-интерфейс (функции). Физический уровень 100 Base-TX. Подуровень PCS. Режимы работы устройств 100 Base-T. Подуровень PМА и PMD. Физический уровень 100 Base-T 4. Типы физического интерфейса среды. Четырехпарная витая пара. Ограничения при корректном построении сети. Спецификации физ. среды. Интерфейс 1000 Base-X. Примеры ограничений на сегменты. Пример построения сети. Интерфейс 1000 Base-Т. Задержки кабеля и сетевых адаптеров. Передача по четырем парам UTP cat. 5. Время двойного оборота. Новое гигабитное оборудование. Коммутаторы Ethernet. Модули фирмы Hewlett Packard. Коммутаторы для рабочих групп. Настоящее, прошлое и будущее Ethernet. Магистральные коммутаторы. Сравнение Gigabit Ethernet и АТМ. Сравнение комм-ров для раб. групп и магистр-х комм-ров. 2015 2 Организация магистрали на коммутаторах.

Fast Ethernet • Ethernet — это самый распространенный сегодня стандарт локальных сетей. Общее количество сетей, работающих по протоколу Ethernet в настоящее время, оценивается в несколько миллионов. • Когда говорят Ethernet, то под этим обычно понимают любой из вариантов этой технологии, в которую входят сегодня также Fast Ethernet, Gigabit Ethernet и 10 G Ethernet. • Локальные сети, являясь пакетными сетями, используют принцип временного мультиплексирования, то есть разделяют передающую среду во времени. 2015 3

Развитие технологии • В 1995 году был принят стандарт Fast Ethernet, в 1998 — Gigabit Ethernet, а в 2002 году — 10 G Ethernet. • Каждый из новых стандартов превышал скорость своего предшественника в 10 раз, образуя впечатляющую иерархию скоростей 10 Мбит/с — 1000 Мбит/с — 10 Гбит/с. 2015 4

5 1. FAST ETHERNET Fast Ethernet • 1992 г. Fast Ethernet Alliance занялся разработкой 100 -мегабитного Ethernet. • 1992 -93 гг. Группа Institute of Electrical and Electronic Engineers изучила эти решения. • 1995 г. Появился Fast Ethernet стандарт IEEE 802. 3 u (как дополнение Ethernet стандарта IEEE 802. 3 главами с 21 по 30). 2015 5

6 Fast Ethernet Основные достоинства технологии Fast Ethernet: • Увеличение пропускной способности сегментов сети до 100 Мбит/c; • Сохранение метода случайного доступа Ethernet; • Сохранение звездообразной топологии сетей и поддержка традиционных сред передачи данных – витой пары и оптоволоконного кабеля. 2015 6

Структура стандартов IEEE 802. x СЕТЕВОЙ АДАПТЕР 2015 7

8 Физический уровень: Fast Ethernet Стек протоколов Fast Ethernet 802. 3 u Стек протоколов Ethernet 802. 3 Подуровень LLC (802. 2) = Подуровень LLC (802. 2) Подуровень доступа к среде МАС = Подуровень доступа к среде МАС Интерфейс AUI Согласование (Reconciliation) Интерфейс MII Подуровень кодирования (Physical Coding) Подуровень физического присоединения (Physical Medium Attachment) Подуровень физического присоединения Подуровень зависимости физической среды Подуровень автопереговоров Разъем (Medium Dependent Interface) Физический уровень Разъем (Medium Dependent Interface) Устройство физического уровня (Physical layer device, PHY) 2015 8

9 Fast Ethernet Функции физического уровня: MII интерфейс поддерживает независимый от физической среды способ обмена данными между МАС и PHY подуровнями. Подуровень кодирования преобразует поступающие от МАС- подуровня байты в символы кода Fast Ethernet. Подуровень физического присоединения и подуровень зависимости физической среды обеспечивают формирование сигналов в соответствии с методом физического кодирования. Подуровень автопереговоров позволяет двум портам автоматически выбрать наиболее эффективный 2015 9 режим работы.

10 Спецификации физического уровня: Fast Ethernet (по стандарту 802. 3 u) Подуровень LLC Подуровень MAC Согласование 100 Base-FX Многомодовое оптоволокно 100 Base-TX 100 Base-T 4 уровень Интерфейс MII Физический (Reconciliation) UTP cat. 5, Четырехпарный кабель на STP Type 1 UTP cat. 3, 4 & 5 2015 10

11 Fast Ethernet Для всех спецификаций физического уровня справедливо следующее: • Форматы кадров не отличаются то форматов кадров технологии 10 - мегабитного Ethernet. • Межкадровый интервал 0, 96 мкс, битовый интервал 10 нс. • Все временные параметры прежние (поэтому изменения в МАС - подуровень не вносились). • Свободное состояние среды – передача по ней символа ”Idle” (а не отсутствие сигналов, как у 10 -мегабитного Ethernet). 2015 11

12 Fast Ethernet Физический уровень 100 Base-FX: (многомодовое оптоволокно) Согласование (Reconciliation) MII Кабель MII Подуровень физического кодирования Подуровень физического присоединения Подуровень зависимости физической среды MDI (разъем) Физический уровень ответственен за прием, трансляцию и передачу данных от МАСподуровня через разъем в сеть. На приемном узле он принимает сигналы, преобразовывает их в параллельную форму и передает подуровню МАС. Оптоволокно P. S. : Метод кодирования без изменений взят у сетей FDDI, т. к. он доказал свою 2015 эффективность в оптоволоконных сетях. 12

13 Fast Ethernet Физический уровень 100 Base-TX: (двухпарная витая пара) Между 100 Base –FX и 100 Base–TX есть много общего. Согласование (Reconciliation) MII Основные отличия – использование другого метода передачи сигналов и наличие функции автопереговоров (Auto. Negotiation), которая является стандартом технологии 100 Base-T. Эти отличия из-за того, что 100 Base-TX не на волокне, а на витой паре. Кабель MII Подуровень физического кодирования Подуровень физического присоединения Подуровень зависимости физической среды Подуровень автопереговоров MDI (разъем) Витая пара 2015 13

14 Fast Ethernet Режимы работы устройств 100 Base T: (которые выбираются с помощью автопереговоров) 1. 10 Base-T – 2 пары категории 3; 2. 10 Base-T full-duplex – 2 пары категории 3; 3. 100 Base-TX – 2 пары категории 5; 4. 100 Base-T 4 – 4 пары категории 3; 5. 100 Base-TX full-duplex – 2 пары категории 5. 2015 14

15 Fast Ethernet Физический уровень 100 Base-T 4: (четырехпарная витая пара) Эта спецификация была разработана, т. к. она MII Кабель MII повышает общую пропускную способность за Подуровень физического кодирования счет одновременной Подуровень физического присоединения передачи потоков по всем Подуровень автопереговоров четырем парам кабеля и MDI (разъем) позволяет использовать витую пару категории 3, а не Витая пара 5 (как в 100 Base-TX). P. S. : Одна из 4 -х пар всегда Спецификация 100 Base-T 4 используется для прослушивания появилась позже других. Согласование (Reconciliation) несущей частоты в целях обнаружения коллизий. 2015 15

16 Fast Ethernet Особенности работы четырехпарной витой пары: Т. к. одна пара всегда должна быть занята прослушиванием несущей частоты, а три других должны одновременно заниматься передачей данных, то это работает так: Передача (1 -2) 1 1 Пары 4 -5 и 7 -8 работают и 2 2 приеме, и при передаче. 3 3 Пара 1 -2 приеме 4 4 Прием (3 -6) занята прослушиванием 5 5 несущей частоты, а пара 36 приемом. 6 6 Двунаправленная пара (4 -5) При передаче наоборот. 7 7 Скорость передачи каждой Двунаправленная пара (7 -8) 8 8 из трех пар равна 33, 3 Мбит/с, что в сумме и Концентратор Сетевой адаптер 2015 составляет 100. 16

17 Fast Ethernet Ограничения при корректном построении сети Fast Ethernet: • На максимальные длины сегментов DTE-DTE; • На максимальные длины сегментов DTEповторитель; • На максимальные длины сегментов повторитель; • На максимальный диаметр сети; • На максимальное число повторителей. P. S. : DTE – Data Terminal Equipment, терминальное оборудование данных. 2015 17

18 Fast Ethernet Примеры ограничений на сегменты: DTE – DTE (стандарт IEEE 802. 3 u) DTE – повторитель 2015 18

19 Fast Ethernet Пример построения сети Fast Ethernet с помощью повторителей класса I: Коммутатор Fast Ethernet 412 м полудуплекс 2 км полный дуплекс Коммутатор Fast Ethernet 136 м 160 м Стек повторителей класса I 136 м 100 м Оптоволокно Витая пара 2015 19

20 Fast Ethernet Задержки, вносимые кабелем и сетевыми адаптерами: Все данные о максимальных диаметрах сети и длинах сегментов получены путем просчета времени двойного оборота сети с учетом всех задержек. Оно не должно превышать 512 bt (время передачи кадра минимальной длины). Стандартом IEEE 820. 3 u рекомендуется оставить запас хотя бы в 4 bt. P. S. 2015 20 : bt – битовый интервал, вр. между появл. 2 -х соседних бит данных на кабеле.

21 Fast Ethernet Время двойного оборота: (Path Delay Value, PDV) PDV – это прохождение сигнала дважды, между наиболее удаленными друг от друга станциями сети (в одну сторону – неискаженный, в обратную – искаженный коллизией сигнал). Передающая станция должна успевать обнаружить коллизию, которую вызвал переданный ею кадр, ещё до того как она закончит передачу этого кадра. Выполнение этого условия зависит от длины минимального кадра, пропускной способности сети и длины её кабельной системы, скорости распространения сигнала в кабеле. Чем больше 2015 минимальный размер кадра, тем больше PDV. 21

Время оборота и распознавание коллизий • Надежное 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 передан ею верно, этот кадр будет утерян. • Поэтому если коллизии не будут надежно распознаваться узлами сети Ethernet, то это приведет к заметному снижению полезной пропускной способности сети. • Для надежного распознавания коллизий должно выполняться следующее соотношение: • Tmin PDV • Здесь Tmin — время передачи кадра минимальной длины, a PDV (Path Delay Value) — время оборота 2015 22

• Алгоритм управления доступом к среде является одной из важнейших характеристик любой технологии LAN, в значительно большей степени определяющей ее облик, чем метод кодирования сигналов или формат кадра. • В технологии Ethernet в качестве алгоритма разделения среды применяется метод случайного доступа. • И хотя его трудно назвать совершенным — при росте нагрузки полезная пропускная способность сети резко падает, — он благодаря своей простоте послужил основной причиной успеха технологии Ethernet. 2015 23

Схема возникновения и распространения коллизии 2015 24

• Электрическому сигналу требуется некоторое время для прохождения по кабелю. • Каждый повторитель вносит свою задержку. Наконец, сетевой плате требуется время на обработку кадра. • Общая задержка распространения складывается из задержки на сетевой плате, в кабеле и на концентраторе. • Минимальный размер кадра в Fast Ethernet тот же самый, что и в Ethernet, поэтому задержка распространения предопределяет уменьшение максимального диаметра сегмента с 2500 до 205 м (двухсот пяти!), т. е. на порядок. 2015 25

ОБРАБОТКА КОЛЛИЗИЙ • Чтобы корректно обработать коллизию, все станции одновременно наблюдают за возникающими на кабеле сигналами. • Если передаваемые и наблюдаемые сигналы отличаются, то фиксируется факт обнаружения коллизии (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 среды26 и 2015 передачи кадра.

Интервал отсрочки • В технологии Ethernet интервал отсрочки выбран равным значению 512 битовых интервалов. Битовый интервал соответствует времени между появлением двух последовательных битов данных на кабеле; для скорости 10 Мбит/с величина битового интервала равна 0, 1 мкс, или 100 нс. • Таким образом случайная пауза в технологии Еthernet может принимать значения от 0 до 52, 4 мс. • Если 16 последовательных попыток передачи кадра вызывают коллизию, то передатчик должен прекратить попытки и отбросить этот кадр. Описанный алгоритм носит название усеченного экспоненциального двоичного алгоритма отсрочки. 2015 27

ТОПОЛОГИЧЕСКИЕ ПРАВИЛА • Стандарт предусматривает два набора топологических правил организации коллизионного домена, называемых моделями • правила модели 1 предусматривают три рекомендуемые конфигурации коллизионного домена, при этом все они должны удовлетворять следующим общим ограничениям: • протяженность любого отрезка медного кабеля из витой пары Категории 3, 4 или 5 не должна быть больше 100 м; • протяженность любого отрезка волоконнооптического кабеля не должна превосходить 412 м. 2015 28

ПОВТОРИТЕЛИ Витая пара 100 м оптоволокно 2015 29

Коммутаторы • Производительность коммутаторов на несколько порядков выше чем у мостов – коммутаторы могут передавать до нескольких миллионов кадров в секунду, в то время как мосты обычно обрабатывают 3 – 5 тысячи кадров в секунду. За время своего существования коммутаторы вобрали в себя многие дополнительные функции: • например, поддержка виртуальных сетей (VLAN), • Приоритезация трафика, • использование магистрального порта по умолчанию и т. п. 2015 30

31 Коммутаторы Ethernet 2015 Fast Ethernet 31

Передача кадра через коммутационную матрицу 2015 32

Коммутационная матрица В коммутаторах с общей шиной процессоры портов связывают высокоскоростной шиной, используемой в режиме разделения времени. Чтобы шина не блокировала работу коммутатора, ее производительность должна равняться, по крайней мере, сумме производительностей всех портов коммутатора. 2015 33

34 Fast Ethernet Коммутаторы для рабочих групп обеспечивают выделенную полосу при соединении любой пары узлов, подключенных к портам коммутатора. 2015 34

35 Fast Ethernet Магистральные коммутаторы Магистральн ые коммутаторы обеспечивают соединение со скоростью передачи среды между парой незанятых сегментов Ethernet. 2015 35

Архитектура коммутатора с общей шиной 2015 36

37 Fast Ethernet Организация магистрали на коммутаторах 2015 37

Комбинированные коммутаторы. Коммутатор состоит из модулей с фиксированным количеством портов (2 -12), выполненных на основе специализированной БИС, реализующей архитектуру коммутационной матрицы. 2015 38

Комбинированные коммутаторы. • Если же порты принадлежат разным модулям, то процессоры общаются по общей шине. • При такой архитектуре передача кадров внутри модуля будет происходить быстрее, чем при межмодульной передаче, так коммутационная матрица — наиболее быстрый, хотя и наименее масштабируемый способ взаимодействия портов. • Скорость внутренней шины коммутаторов может достигать нескольких гигабит в секунду, а у наиболее мощных моделей — до нескольких десятков гигабит в секунду. 2015 39

1. 2. 3. 4. 5. 6. Основные преимущества использования коммутаторов Ethernet: Повышение производительности за счет высокоскоростных соединений между сегментами Ethernet (магистральные коммутаторы) или узлами сети (коммутаторы для рабочих групп). В отличие от разделяемой среды Ethernet коммутаторы позволяют обеспечить рост интегральной производительности при добавлении в сеть пользователей или сегментов. Снижение числа коллизий, особенно в тех случаях, когда каждый пользователь подключен к отдельному порту коммутатора. Незначительные расходы при переходе от разделяемой среды к коммутируемой Повышение безопасности за счет передачи пакетов только в тот порт, к которому подключен адресат. Малое и предсказуемое время задержки за счет того, что полосу разделяет небольшое число пользователей (в идеале - один) 2015 40