Адаптери Ethernet та Fast Ethernet
Характеристики адаптерів
Мережеві адаптери (NIC, Network Interface Card) Ethernet і Fast Ethernet можуть сполучатися з комп'ютером через один із стандартних інтерфейсів:
- шина ISA (Industry Standard Architecture);
- шина PCI (Peripheral Component Interconnect);
- шина PC Card (вона ж PCMCIA);
Адаптери, розраховані на системну шину (магістраль) ISA, ще недавно були основним типом адаптерів. Кількість компаній, що випускали такі адаптери, було велике, саме тому пристрої даного типу були найдешевшими. Адаптери для ISA випускаються 8- та 16-розрядними. 8-розрядні адаптери дешевші, а 16-розрядні – швидше. Правда, обмін інформацією по шині ISA не може бути надто швидким (у межі – 16 Мбайт/с, реально – не більше 8 Мбайт/с, а для 8-розрядних адаптерів – до 2 Мбайт/с). Тому адаптери Fast Ethernet, які вимагають ефективної роботи великих швидкостей обміну, цієї системної шини мало випускаються. Шина ISA відходить у минуле.
Шина PCI зараз практично витіснила шину ISA і стає основною шиною розширення для комп'ютерів. Вона забезпечує обмін 32- та 64-розрядними даними і відрізняється високою пропускною здатністю (теоретично до 264 Мбайт/с), що цілком задовольняє вимогам не тільки Fast Ethernet, але й швидшої Gigabit Ethernet. Важливо ще й те, що шина PCI застосовується не тільки на комп'ютерах IBM PC, але і на комп'ютерах PowerMac. Крім того, підтримує режим автоматичного конфігурування обладнання Plug-and-Play. Мабуть, у найближчому майбутньому на шину PCI буде орієнтована більшість мережевих адаптерів. Нестача PCI у порівнянні з шиною ISA в тому, що кількість її слотів розширення в комп'ютері, як правило, невелика (зазвичай 3 слоти). Але саме мережеві адаптерипідключаються до PCI насамперед.
Шина PC Card (стара назва PCMCIA) застосовується поки що тільки в портативних комп'ютерах класу Notebook. У цих комп'ютерах внутрішня шина PCI зазвичай не виводиться назовні. Інтерфейс PC Card передбачає просте підключення до комп'ютера мініатюрних плат розширення, причому швидкість обміну із цими платами досить висока. Проте все більше портативних комп'ютерів оснащується вбудованими мережними адаптерами, оскільки можливість доступу до мережі стає невід'ємною частиною стандартного набору функцій. Ці вбудовані адаптери знову ж таки підключені до внутрішньої шини PCI комп'ютера.
При виборі мережевого адаптера, орієнтованого на ту чи іншу шину, необхідно, перш за все, переконатися, що вільні слоти розширення даної шини є в комп'ютері, що входить до мережі. Слід також оцінити трудомісткість установки адаптера і перспективи випуску плат даного типу. Останнє може знадобитися у разі виходу з ладу.
Зрештою, зустрічаються ще мережеві адаптери, що підключаються до комп'ютера через паралельний (принтерний) порт LPT. Головне достоїнство такого підходу у тому, що з підключення адаптерів не потрібно розкривати корпус комп'ютера. Крім того, в даному випадку адаптери не займають системних ресурсів комп'ютера, таких як канали переривань та ПДП, а також адреси пам'яті та пристроїв введення/виводу. Однак швидкість обміну інформацією між ними та комп'ютером у цьому випадку значно нижча, ніж при використанні системної шини. До того ж вони вимагають більше процесорного часу на обмін із мережею, уповільнюючи цим роботу комп'ютера.
Останнім часом все більше зустрічається комп'ютерів, в яких мережеві адаптеривбудовані у системну плату. Переваги такого підходу очевидні: користувач не повинен купувати адаптер мережі і встановлювати його в комп'ютер. Достатньо лише підключити мережний кабель до зовнішнього гнізда комп'ютера. Однак недолік полягає в тому, що користувач не може вибрати адаптер із кращими характеристиками.
До інших найважливіших характеристик мережевих адаптерівможна віднести:
- спосіб конфігурування адаптера;
- розмір встановленої на платі буферної пам'яті та режими обміну з нею;
- можливість встановлення на плату мікросхеми постійної пам'яті для віддаленого завантаження (BootROM).
- можливість підключення адаптера до різних типів середовища передачі (кручена пара, тонкий і товстий коаксіальний кабель, оптоволоконний кабель);
- використовується адаптером швидкість передачі через мережу та наявність функції її перемикання;
- можливість застосування адаптером повнодуплексного режиму обміну;
- сумісність адаптера (точніше драйвера адаптера) з використовуваними мережними програмними засобами.
Конфігурування адаптера користувачем застосовувалося переважно адаптерів, розрахованих на шину ISA. Конфігурація передбачає налаштування на використання системних ресурсів комп'ютера (адреси вводу/виводу, каналів переривань та прямого доступу до пам'яті, адрес буферної пам'яті та пам'яті віддаленого завантаження). Конфігурування може здійснюватися шляхом встановлення в потрібне положення перемикачів (джамперів) або за допомогою DOS-програми конфігурування ( Jumperless , Software configuration), що додається до адаптера. Під час запуску такої програми користувачеві пропонується встановити конфігурацію апаратури за допомогою простого меню: вибрати параметри адаптера. Ця ж програма дозволяє зробити самотестуванняадаптера. Вибрані параметри зберігаються в незалежній пам'яті адаптера . У будь-якому випадку при виборі параметрів необхідно уникати конфліктів з системними пристроямикомп'ютера та з іншими платами розширення.
Конфігурація адаптера може виконуватися і автоматично в режимі Plug-and-Play, коли живлення комп'ютера увімкнено. Сучасні адаптери зазвичай підтримують цей режим, тому їх легко може встановити користувач.
У найпростіших адаптерах обмін із внутрішньою буферною пам'яттю адаптера (Adapter RAM) здійснюється через адресний простір пристроїв вводу/виводу. У цьому випадку не потрібно конфігурувати адреси пам'яті. Базова адреса буферної пам'яті, що працює в режимі пам'яті, необхідно задавати. Він приписується до верхньої пам'яті комп'ютера (
У тестовій лабораторії «Комп'ютерПрес» було проведено тестування призначених для використання в робочих станціях 10/100 Мбіт/с мережевих карток стандарту Fast Ethernet для шини PCI. Були обрані найбільш поширені в даний час карти з пропускною здатністю 10/100 Mбіт/с, так як, по-перше, вони можуть використовуватися в мережах Ethernet, Fast Ethernet і змішаних мережах, і, по-друге, перспективна технологія Gigabit Ethernet ( пропускна здатність до 1000 Мбіт/с) поки що застосовується найчастіше для підключення потужних серверів до мережного обладнання ядра мережі. Надзвичайно важливим є те, якої якості пасивне мережеве обладнання (кабелі, розетки тощо) використовується в мережі. Добре відомо, що якщо для мереж Ethernet достатньо кабелю на кручений парі категорії 3, то вже для Fast Ethernet необхідна 5 категорія. Розсіювання сигналу, погана захищеність від шумів можуть значно знизити пропускну здатність мережі.
Метою тестування було визначення насамперед індексу ефективної продуктивності (Performance/Efficiency Index Ratio - надалі P/E-індекс), і лише потім - абсолютного значення пропускної спроможності. P/E-індекс обчислюється як відношення пропускної спроможності мережевої карти в Мбіт/c до ступеня завантаженості центрального процесора у відсотках. Цей індекс є галузевим стандартом визначення продуктивності мережевих адаптерів. Він був введений для того, щоб врахувати використання мережевих карт ресурсів центрального процесора. Справа в тому, що деякі виробники мережних адаптерів намагаються досягти максимальної продуктивності шляхом використання для виконання мережних операцій більшої кількості циклів процесора комп'ютера. Мінімальне завантаження процесора та відносно висока пропускна здатність мають велике значення для виконання критично важливих бізнес- та мультимедіа-додатків, а також задач реального часу.
Були протестовані карти, які нині найчастіше використовуються для робочих станцій у корпоративних та локальних мережах:
- D-Link DFE-538TX
- SMC EtherPower II 10/100 9432TX/MP
- 3Com Fast EtherLink XL 3C905B-TX-NM
- Compex RL 100ATX
- Intel EtherExpress PRO/100+ Management
- CNet PRO-120
- NetGear FA 310TX
- Allied Telesyn AT 2500TX
- Surecom EP-320X-R
Основні характеристики тестованих мережевих адаптерів наведено у табл. 1 . Пояснимо деякі терміни, які використані у таблиці. Автоматичне визначення швидкості з'єднання означає, що сам адаптер визначає максимально можливу швидкість функціонування. Крім того, у разі підтримки автовизначення швидкості ніякого додаткового налаштування при переході від Ethernet до Fast Ethernet і назад не потрібно. Тобто, від системного адміністратора не потрібно реконфігурувати адаптер і перевантажувати драйвери.
Підтримка режиму Bus Master дозволяє передавати дані безпосередньо між карткою мережі та пам'яттю комп'ютера. Цим центральний процесор вивільняється до виконання інших операцій. Ця властивість стала стандартом де-факто. Недарма всі відомі мережеві картки підтримують режим Bus Master.
Дистанційне увімкнення (Wake on LAN) дозволяє здійснювати увімкнення ПК по мережі. Тобто, виникає можливість обслуговувати ПК у неробочий час. Для цієї мети використовуються триконтактні роз'єми на системній платі та мережному адаптері, які з'єднуються спеціальним кабелем (входить до комплекту постачання). Крім того, необхідне спеціальне керуюче ПЗ. Технологія Wake on LAN розроблена альянсом Intel-IBM.
Повнодуплексний режим дозволяє передавати дані одночасно в обох напрямках, напівдуплексний – лише в одному. Таким чином, максимально можлива пропускна здатність у повнодуплексному режимі становить 200 Мбіт/с.
Інтерфейс DMI (Desktop Management Interface) дає можливість отримувати інформацію про конфігурацію та ресурси ПК за допомогою ПЗ мережного управління.
Підтримка специфікації WfM (Wired for Management) забезпечує взаємодію мережного адаптера із програмними засобами мережного управління та адміністрування.
Для віддаленого завантаження ОС комп'ютера по мережі мережеві адаптери мають спеціальну пам'ять BootROM. Це дозволяє ефективно використовувати мережі бездискові робочі станції. У більшості тестованих карт було тільки гніздо для установки BootROM; сама мікросхема BootROM зазвичай є опцією, що окремо замовляється.
Підтримка ACPI (Advanced Configuration Power Interface) дозволяє зменшити енергоспоживання. ACPI - це нова технологія, що забезпечує роботу системи керування живленням. Вона виходить з використанні як апаратних, і програмних засобів. В принципі, Wake on LAN є складовою частиною ACPI.
Фірмові засоби підвищення продуктивності дають змогу збільшити ефективність роботи мережевої карти. Найбільш відомі з них – Parallel Tasking II компанії 3Com та Adaptive Technology компанії Intel. Ці кошти зазвичай бувають запатентовані.
Підтримка основних операційних систем забезпечується майже всіма адаптерами. До основних ОС відносяться: Windows, Windows NT, NetWare, Linux, SCO UNIX, LAN Manager та інші.
Рівень сервісної підтримки оцінюється наявністю документації, дискети з драйверами та можливістю завантажити останні версії драйверів із сайту компанії. Чи не останню роль грає і упаковка. З цієї точки зору, найкращими, на наш погляд, є мережеві адаптери D-Link, Allied Telesyn та Surecom. Але загалом рівень підтримки виявився для всіх карт задовільним.
Зазвичай гарантія поширюється весь час експлуатації мережевого адаптера (довічна гарантія). Іноді вона обмежується 1-3 роками.
Методика тестування
У всіх тестах використовувалися останні версії драйверів мережевих карт, які завантажувалися з Internet-серверів відповідних виробників. Якщо драйвер мережевої карти допускав будь-які налаштування та оптимізацію, використовувалися установки за замовчуванням (крім мережного адаптера Intel). Зазначимо, що найбільш багатими додатковими можливостями та функціями мають карти та відповідні драйвери компаній 3Com та Intel.
Вимірювання продуктивності проводилося за допомогою утиліти Perform3 компанії Novell. Принцип дії утиліти полягає в тому, що файл невеликого розміру переписується з робочої станції на мережевий диск сервера, що розділяється, після чого він залишається у файловому кеші сервера і протягом заданого проміжку часу багаторазово звідти зчитується. Це дозволяє досягти взаємодії типу пам'ять-мережа і усунути вплив затримок, пов'язаних з дисковими операціями. До параметрів утиліти входять початковий розмір файлу, кінцевий розмір файлу, крок зміни розміру та час тестування. Утиліта Novell Perform3 виводить значення продуктивності з файлами різного розміру, середню та максимальну продуктивність (Кбайт/c). Для установки утиліти використовувалися наступні параметри:
- Початковий розмір файлу – 4095 байт
- Кінцевий розмір файлу – 65 535 байт
- Крок збільшення файлу - 8192 байт
Час тестування з кожним файлом було встановлено 20 секунд.
У кожному експерименті використовувалася пара однакових мережевих карт, одна з яких працювала на сервері, а інша – на робочій станції. Здається, що це відповідає поширеній практиці, оскільки у серверах зазвичай використовуються спеціалізовані мережеві адаптери, забезпечені поруч додаткових функцій. Але саме таким чином – одні й ті самі мережеві картки встановлюються і на сервері, і на робочих станціях – проводиться тестування всіма відомими тестовими лабораторіями світу (KeyLabs, Tolly Group тощо). Результати виходять дещо нижчими, але експеримент виявляється чистим, оскільки на всіх комп'ютерах працюють лише аналізовані мережеві карти.
Конфігурація клієнта Compaq DeskPro EN:
- процесор Pentium II 450 MГц
- кеш 512 Kбайт
- оперативна пам'ять 128 Мбайт
- вінчестер 10 Гбайт
- ОС Windows NT Server 4.0 c 6 a SP
- протокол TCP/IP.
Конфігурація сервера Compaq DeskPro EP:
- процесор Celeron 400 MГц
- оперативна пам'ять 64 Мбайт
- вінчестер 4,3 Гбайт
- операційна система Microsoft Windows NT Workstation 4.0 c 6 a SP
- протокол TCP/IP.
Тестування було проведено в умовах, коли комп'ютери з'єднувалися кросоверним кабелем UTP Category 5. Під час цих тестів карти працювали в режимі 100Base-TX Full Duplex. У цьому режимі пропускна здатність виявляється дещо вищою за рахунок того, що частина службової інформації (наприклад, підтвердження прийому) передається одночасно з корисною інформацією, обсяг якої оцінюється. У умовах вдалося зафіксувати досить високі значення пропускну здатність; наприклад, для адаптера 3Com Fast EtherLink XL 3C905B-TX-NM у середньому 79,23 Мбіт/с.
Завантаженість процесора вимірювалася сервері з допомогою утиліти Windows NT Performance Monitor; дані записувалися в log-файл. Утиліта Perform3 запускалася на клієнта, щоб не впливати на завантаженість процесора сервера. Як процесор комп'ютера-сервера використовувався Intel Celeron, продуктивність якого істотно нижча за продуктивність процесорів Pentium II і III. Intel Celeron використовувався навмисне: річ у тому, що оскільки завантаження процесора визначається з досить великою абсолютною похибкою, у разі великих абсолютних значень відносна похибка виявляється меншою.
Після кожного тесту утиліта Perform3 поміщає результати своєї роботи текстовий файл у вигляді набору даних наступного виду:
65535 bytes. 10491.49 KBps. 10491.49 Aggregate KBps. 57343 bytes. 10844.03 KBps. 10844.03 Aggregate KBps. 49151 bytes. 10737.95 KBps. 10737.95 Aggregate KBps. 40959 bytes. 10603.04 KBps. 10603.04 Aggregate KBps. 32767 bytes. 10497.73 KBps. 10497.73 Aggregate KBps. 24575 bytes. 10220.29 KBps. 10220.29 Aggregate KBps. 16383 bytes. 9573.00 KBps. 9573.00 Aggregate KBps. 8191 bytes. 8195.50 KBps. 8195.50 Aggregate KBps. 10844.03 Maximum KBps. 10145.38 Average KBp.
Виводиться розмір файлу, відповідна пропускна спроможність для обраного клієнта та для всіх клієнтів (у даному випадку клієнт лише один), а також максимальна та середня пропускна спроможність по всьому тесту. Отримані середні значення по кожному тесту переводилися з Кбайт/c Мбіт/c за формулою:
(Кбайт х 8)/1024,
та значення індексу P/E обчислювалося як відношення пропускної спроможності до завантаженості процесора у відсотках. Надалі середнє значення індексу P/E обчислювалося за результатами трьох вимірів.
З використанням утиліти Perform3 на Windows NT Workstation виникла наступна проблема: крім запису на мережевий диск файл записувався також у локальний файловий кеш, звідки згодом дуже швидко зчитувався. Результати були вражаючими, але нереальними, оскільки передачі даних як такої через мережу не проводилося. Для того, щоб програми могли сприймати розділені мережні диски як звичайні локальні диски, в операційній системі використовується спеціальний мережевий компонент - редиректор, що перенаправляє запити введення-виводу по мережі. У звичайних умовах роботи при виконанні процедури запису файлу на мережевий диск, що розділяється, редиректор використовує алгоритм кешування Windows NT. Саме тому при записі на сервер відбувається запис у локальний файловий кеш клієнтської машини. А для проведення тестування необхідно, щоб кешування проводилося лише на сервері. Для того щоб на комп'ютері-клієнті кешування не було, у реєстрі Windows NT було змінено значення параметрів, що дозволило вимкнути кешування, яке виконує редиректор. Ось як це було зроблено:
- Шлях у Registry:
HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\CurrentControlSet\Services\Rdr\Parameters
Ім'я параметра:
UseWriteBehind дозволяє оптимізацію write-behind для записуваних файлів
Тип: REG_DWORD
Значення: 0 (за замовчуванням: 1)
- Шлях у Registry:
HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\CurrentControlSet\Services\Lanmanworkstation\parameters
Ім'я параметра:
UtilizeNTCaching вказує, чи буде редиректор використовувати кеш-менеджер Windows NT для кешування вмісту файлів.
Тип: REG_DWORD Значення: 0 (за замовчуванням: 1)
Мережевий адаптер Intel EtherExpress PRO/100+Management
Пропускна здатність цієї карти та рівень використання процесора виявилися практично такими ж, як і у 3Com. Нижче показано вікна налаштування цієї карти.
Новий контролер Intel 82559, встановлений на цій карті, забезпечує високу продуктивність, особливо в мережах Fast Ethernet.
Технологія, яку використовує Intel у своїй карті Intel EtherExpress PRO/100+, названа Adaptive Technology. Сутність методу полягає в автоматичній зміні часових проміжків між пакетами Ethernet залежно від завантаженості мережі. При збільшенні завантаженості мережі відстань між окремими пакетами Ethernet динамічно збільшується, що дозволяє зменшити кількість колізій та підвищити пропускну здатність. При невеликому мережному завантаженні, коли ймовірність колізій мала, часові проміжки між пакетами знижуються, що також веде до збільшення продуктивності. Найбільшою мірою переваги цього методу повинні виявлятися у великих колізійних сегментах Ethernet, тобто у випадках, коли в топології мережі переважають концентратори, а не комутатори.
Нова технологія Intel, названа Priority Packet, дозволяє регулювати трафік, що проходить через мережеву картку відповідно до пріоритетів окремих пакетів. Це дає можливість підвищувати швидкість передачі для критично важливих додатків.
Підтримка віртуальних локальних мереж VLAN (стандарт IEEE 802.1Q).
На платі всього два індикатори – робота/з'єднання, швидкість 100.
www.intel.com
Мережний адаптер SMC EtherPower II 10/100 SMC9432TX/MP
В архітектурі цієї карти використано дві перспективні технології SMC SimulTasking та Programmable InterPacket Gap. Перша технологія схожа на технологію 3Com Parallel Tasking. Зіставивши результати тестування для карт цих двох виробників, можна зробити висновок про рівень ефективності реалізації цих технологій. Зазначимо також, що дана мережева карта показала третій результат і за продуктивністю і індексом P/E, випередивши всі карти, крім 3Com і Intel.
На карті чотири світлодіодні індикатори: швидкість 100, передача, з'єднання, дуплекс.
Адреса основного Web-вузла компанії: www.smc.com
Fast Ethernet
Fast Ethernet - специфікація IEЕЕ 802.3 u офіційно прийнята 26 жовтня 1995 визначає стандарт протоколу канального рівня для мереж працюючих при використанні як мідного, так і волоконно-оптичного кабелю зі швидкістю 100Мб/с. Нова специфікація є спадкоємицею стандарту Ethernet IEЕЕ 802.3, використовуючи такий самий формат кадру, механізм доступу до середовища CSMA/CD та топологію зірка. Еволюція торкнулася кількох елементів конфігурації засобів фізичного рівня, що дозволило збільшити пропускну здатність, включаючи типи кабелю, довжину сегментів і кількість концентраторів.
Структура Fast Ethernet
Щоб краще зрозуміти роботу та розібратися у взаємодії елементів Fast Ethernet, звернемося до рисунка 1.
Рисунок 1. Система Fast Ethernet
Підрівень управління логічним зв'язком (LLC)
У специфікації IEEE 802.3 u функції канального рівня розбиті на два рівні: управління логічним зв'язком (LLC) та рівня доступу до середовища (MAC), який буде розглянутий нижче. LLC, функції якого визначені стандартом IEEE 802.2, фактично забезпечує взаємозв'язок із протоколами вищого рівня, (наприклад, з IP або IPX), надаючи різноманітні комунікаційні послуги:
- Сервіс без встановлення з'єднання та підтвердження прийому.Простий сервіс, який не забезпечує управління потоком даних або контролю помилок, а також гарантує правильну доставку даних.
- Сервіс із встановленням з'єднання.Абсолютно надійний сервіс, який гарантує правильну доставку даних за рахунок встановлення з'єднання із системою-приймачем до початку передачі даних та використання механізмів контролю помилок та управління потоком даних.
- Сервіс без встановлення з'єднання із підтвердженнями прийому.Середній сервіс, який використовує повідомлення підтвердження прийому для забезпечення гарантованої доставки, але не встановлює з'єднання до передачі даних.
На передавальній системі дані, передані вниз від протоколу мережного рівня, спочатку інкапсулюються під рівнем LLC. Стандарт називає їх Protocol Data Unit (PDU, протокольний блок даних). Коли PDU передається вниз під рівень MAC, де знову обрамляється заголовком і постінформацією, з цього моменту технічно його можна назвати кадром. Для пакета Ethernet це означає, що кадр 802.3 крім даних мережного рівня містить трибайтовий заголовок LLC. Таким чином, максимально допустима довжина даних у кожному пакеті зменшується з 1500 до 1497 байтів.
Заголовок LLC складається з трьох полів:
У деяких випадках кадри LLC відіграють незначну роль у процесі обміну даними. Наприклад, у мережі, що використовує TCP/IP поряд з іншими протоколами, єдина функція LLC може полягати в наданні можливості кадрам 802.3 містити заголовок SNAP, подібно до Ethertype вказує протокол Мережевого рівня, якому повинен бути переданий кадр. У цьому випадку всі PDU LLC використовують ненумерований інформаційний формат. Проте інші високорівневі протоколи вимагають від LLC розширеного сервісу. Наприклад, сесії NetBIOS та кілька протоколів NetWare використовують сервіси LLC із встановленням з'єднання ширше.
Заголовок SNAP
Приймаючій системі необхідно визначити, який із протоколів мережного рівня повинен отримати вхідні дані. У пакетах 802.3 у рамках PDU LLC застосовується ще один протокол, званий Sub -NetworkAccessProtocol (SNAP, протокол доступу до підмереж).
Заголовок SNAP має довжину 5 байт і розташовується безпосередньо після заголовка LLC поле даних кадру 802.3, як показано на малюнку. Заголовок містить два поля.
Код організації.Ідентифікатор організації або виробника - це 3-байтове поле, яке набуває такого ж значення, як перші 3 байти МАС-адреси відправника в заголовку 802.3.
Локальний код.Локальний код - це поле довжиною 2 байти, яке функціонально еквівалентне полю Ethertype в заголовку Ethernet II.
Підрівень погодження
Як було сказано раніше Fast Ethernet, це еволюціонував стандарт. MAC розрахований на інтерфейс AUI, необхідно перетворити для інтерфейсу MII, що використовується в Fast Ethernet, навіщо і призначений цей рівень.
Управління доступом до середовища (MAC)
Кожен вузол у мережі Fast Ethernet має контролер доступу до середовища (MediaAccessController- MAC). MAC має ключове значення у Fast Ethernet і має три призначення:
Найважливішим із трьох призначень MAC є перше. Для будь-якої мережевої технології, яка використовує загальне середовище, правила доступу до середовища, що визначають, коли вузол може передавати, є його основною характеристикою. Розробкою правил доступу до середовища займаються кілька комітетів ІЕЕЕ. Комітет 802.3, який часто називають комітетом Ethernet, визначає стандарти на ЛОМ, в яких використовуються правила під назвою CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection - множинний доступ із контролем несучою та виявленням конфліктів).
CSMS/CD є правилами доступу до середовища як Ethernet, так Fast Ethernet. Саме у цій галузі дві технології повністю збігаються.
Оскільки всі вузли в Fast Ethernet спільно використовують те саме середовище, передавати вони можуть лише тоді, коли настає їх черга. Визначають цю чергу правила CSMA/CD.
CSMA/CD
Контролер MAC Fast Ethernet, перш ніж розпочати передачу, прослуховує несучу. Несуча існує лише тоді, коли інший вузол веде передачу. Рівень PHY визначає наявність несучої та генерує повідомлення для MAC. Наявність несучої говорить про те, що середовище зайняте і слухаючий вузол (або вузли) повинні поступитися передаючим.
MAC, який має кадр передачі, перш ніж передати його, повинен почекати деякий мінімальний проміжок часу після закінчення попереднього кадру. Цей час називається міжпакетною щілиною(IPG, interpacket gap) і триває 0,96 мікросекунди, тобто десяту частину часу передачі пакету звичайної Ethernet зі швидкістю 10 Мбіт/с (IPG - єдиний інтервал часу, завжди визначається мікросекундах, а чи не в часі біта) рисунок 2.
Малюнок 2. Міжпакетна щілина
Після закінчення пакета 1 всі вузли ЛОМ повинні почекати протягом часу IPG, перш ніж зможуть передавати. Тимчасовий інтервал між пакетами 1 та 2, 2 та 3 на рис. 2 – це час IPG. Після завершення передачі пакета 3 жоден вузол у відсутності матеріалу для обробки, тому часовий інтервал між пакетами 3 і 4 довше, ніж IPG.
Всі вузли мережі повинні дотримуватися цих правил. Навіть якщо на вузлі є багато кадрів для передачі і даний вузол є єдиним передавальним, то після пересилання кожного пакета він повинен почекати протягом принаймні часу IPG.
Саме в цьому полягає частина CSMA правил доступу до Fast Ethernet. Коротше кажучи, багато вузлів мають доступ до середовища та використовують несучу для контролю його зайнятості.
У ранніх експериментальних мережах застосовувалися ці правила, і такі мережі працювали дуже добре. Проте використання лише CSMA призвело до виникнення проблеми. Часто два вузли, маючи пакет для передачі і прождав час IPG, починали передавати одночасно, що призводило до спотворення даних з обох сторін. Така ситуація називається колізією(collision) чи конфліктом.
Для подолання цієї перешкоди ранні протоколи використали досить простий механізм. Пакети ділилися на дві категорії: команди та реакції. Кожна команда, яка була передана вузлом, вимагала реакції. Якщо протягом певного часу (званого періодом тайм-ауту) після передачі команди реакцію неї було отримано, то вихідна команда подавалась знову. Це могло відбуватися кілька разів (гранична кількість тайм-аутів), перш ніж передавальний вузол фіксував помилку.
Ця схема могла чудово працювати, але лише до певного моменту. Виникнення конфліктів призводило до різкого зниження продуктивності (вимірюваної зазвичай у байтах на секунду), оскільки вузли часто простоювали в очікуванні відповіді команди, які ніколи не досягають пункту призначення. Перевантаження мережі, збільшення кількості вузлів безпосередньо пов'язані зі зростанням кількості конфліктів і, отже, зі зниженням продуктивності мережі.
Проектувальники ранніх мереж швидко знайшли вирішення цієї проблеми: кожен вузол повинен встановлювати факт втрати переданого пакета шляхом виявлення конфлікту (а не очікувати на реакцію, яка ніколи не піде). Це означає, що втрачені у зв'язку з конфліктом пакети мають бути негайно передані знову до закінчення тайм-ауту. Якщо вузол передав останній біт пакета без конфлікту, отже, пакет переданий успішно.
Метод контролю несучої добре поєднувати з функцією виявлення колізій. Колізії все ще продовжують відбуватися, але на продуктивності мережі це не відбивається, тому що вузли швидко позбавляються їх. Група DIX, розробивши правила доступу до середовища CSMA/CD для Ethernet, оформила їх як простого алгоритму - рисунок 3.
Рисунок 3. Алгоритм роботи CSMA/CD
Пристрій фізичного рівня (PHY)
Оскільки Fast Ethernet може використовувати різний тип кабелю, для кожного середовища потрібне унікальне попереднє перетворення сигналу. Перетворення також потрібно для ефективної передачі даних: зробити переданий код стійким до перешкод, можливих втрат, або спотворень окремих його елементів (бодів), для забезпечення ефективної синхронізації тактових генераторів на стороні, що передає або приймає.
Підрівень кодування (PCS)
Кодує/декодує дані, що надходять від/до рівня MAC з використанням алгоритмів або .
Підрівні фізичного приєднання та залежності від фізичного середовища (PMА та PMD)
Підрівні РМА та PMD здійснюють зв'язок між підрівнем PSC та інтерфейсом MDI, забезпечуючи формування відповідно до методу фізичного кодування: або .
Підрівень автопереговорів (AUTONEG)
Підрівень автопереговорів дозволяє двом портам, що взаємодіють, автоматично вибирати найбільш ефективний режим роботи: дуплексний або напівдуплексний 10 або 100 Мб/с. Фізичний рівень
Стандарт Fast Ethernet визначає три типи середовища передачі сигналів Ethernet зі швидкістю 100 Мбіт/с.
- 100Base-TX - дві кручені пари проводів. Передача здійснюється відповідно до стандарту передачі даних у крученому фізичному середовищі, розробленому ANSI (American National Standards Institute - Американський національний інститут стандартів). Кручений кабель передачі даних може бути екранованим, або неекранованим. Використовує алгоритм кодування даних 4В/5В та метод фізичного кодування MLT-3.
- 100Base-FX – дві жили, волоконно-оптичного кабелю. Передача також здійснюється відповідно до стандарту передачі даних у волоконно-оптичному середовищі, яке розроблено ANSI. Використовує алгоритм кодування даних 4В/5В та метод фізичного кодування NRZI.
Специфікації 100Base-TX та 100Base-FX відомі також як 100Base-X
- 100Base-T4 – це особлива специфікація, розроблена комітетом IEEE 802.3u. Відповідно до цієї специфікації, передача даних здійснюється за чотирма витими парами телефонного кабелю, який називають кабелем UTP категорії 3. Використовує алгоритм кодування даних 8В/6Т та метод фізичного кодування NRZI.
Додатково стандарт Fast Ethernet включає рекомендації щодо використання кабелю екранованої крученої пари категорії 1, який є стандартним кабелем, що традиційно використовується в мережах Token Ring. Організація підтримки та рекомендації щодо використання кабелю STP у мережі Fast Ethernet надають спосіб переходу на Fast Ethernet для покупців, які мають кабельне розведення STP.
Специфікація Fast Ethernet включає механізм автоузгодження, що дозволяє порту вузла автоматично налаштовуватися на швидкість передачі даних - 10 або 100 Мбіт/с. Цей механізм заснований на обміні рядом пакетів із портом концентратора або перемикача.
Середа 100Base-TX
Як середовище передачі 100Base-TX застосовуються дві виті пари, причому одна пара використовується для передачі даних, а друга - для їхнього прийому. Оскільки специфікація ANSI TP - PMD містить описи як екранованих, так і неекранованих кручених пар, то специфікація 100Base-TX включає підтримку як неекранованих, так і екранованих кручених пар типу 1 і 7.
Роз'єм MDI (Medium Dependent Interface)
Інтерфейс каналу 100Base-TX, який залежить від середовища, може бути одного з двох типів. Для кабелю на неекранованих кручених парах як роз'єм MDI слід використовувати восьмиконтактний роз'єм RJ 45 категорії 5. Цей же роз'єм застосовується і в мережі 10Base-T, що забезпечує зворотну сумісність з існуючими кабельними розведеннями категорії 5. Для екранованих кручених пар як роз'єм MDI необхідно використовувати роз'єм STP IBM типу 1, який є екранованим роз'ємом DB9. Такий роз'єм зазвичай застосовується у мережах Token Ring.
Кабель UTP категорії 5(e)
В інтерфейсі середовища UTP 100Base-TX використовуються дві пари проводів. Для мінімізації перехресних наведень і можливого спотворення сигналу чотири дроти не повинні використовуватися з метою передачі будь-яких сигналів. Сигнали передачі і прийому кожної пари є поляризованими, причому один провід передає позитивний (+), а другий - негативний (-) сигнал. Колірне маркування проводів кабелю та номери контактів роз'єму для мережі 100Base-TX наведено у табл. 1. Хоча рівень PHY 100Base-TX розроблявся після прийняття стандарту ANSI TP-PMD, однак номери контактів роз'єму RJ 45 були змінені для узгодження зі схемою розведення, що вже використовується в стандарті 10Base-T. У стандарті ANSI TP-PMD контакти 7 та 9 застосовуються для прийому даних, у той час як у стандартах 100Base-TX та 10Base-T для цього призначені контакти 3 та 6. Така розводка забезпечує можливість використання адаптерів 100Base-TX замість адаптерів 10 Base - T та їх підключення до тих самих кабелів категорії 5 без змін розведення. У роз'ємі RJ 45 пари проводів, що використовуються, підключаються до контактів 1, 2 і 3, 6. Для правильного підключення проводів слід керуватися їх колірним маркуванням.
Таблиця 1. Призначення контактів гніздаMDIкабелюUTP100Base-TX
Вузли взаємодіють між собою шляхом обміну кадрами (frames). У Fast Ethernet кадр є базовою одиницею обміну мережею - будь-яка інформація, що передається між вузлами, міститься у полі даних однієї чи кількох кадрів. Пересилання кадрів від одного вузла до іншого можливе лише за наявності способу однозначної ідентифікації всіх вузлів мережі. Тому кожен вузол у ЛОМ має адресу, яка називається його МАС-адресою. Ця адреса унікальна: жодні два вузли локальної мережі не можуть мати ту саму МАС-адресу. Більше того, в жодній з технологій ЛОМ (за винятком ARCNet) жодні два вузли у світі не можуть мати однакову МАС-адресу. Будь-який кадр містить принаймні три основні порції інформації: адресу одержувача, адресу відправника та дані. Деякі кадри мають інші поля, але обов'язковими є лише три перелічені. На малюнку 4 відбито структуру кадру Fast Ethernet.
4. Структура кадруFastEthernet
- адреса одержувача- Вказується адреса вузла, що отримує дані;
- адреса відправника- Вказується адреса вузла, що надіслав дані;
- довжина/Тип(L/T - Length/Type) - міститься інформація про тип переданих даних;
- контрольна сума кадру(PCS – Frame Check Sequence) – призначена для перевірки коректності отриманого приймаючим вузлом кадру.
Мінімальний обсяг кадру становить 64 октети, або 512 бітів (терміни октеті байт -синоніми). Максимальний обсяг кадру дорівнює 1518 октетам, або 12144 бітам.
Адресація кадрів
Кожен вузол у мережі Fast Ethernet має унікальний номер, який називається МАС-адресою (MAC address) або адресою вузла. Цей номер складається з 48 бітів (6 байтів), присвоюється мережному інтерфейсу під час виготовлення пристрою та програмується у процесі ініціалізації. Тому мережеві інтерфейси всіх ЛОМ, за винятком ARCNet, яка використовує 8-бітові адреси, що присвоюються мережним адміністратором, мають вбудовану унікальну МАС-адресу, що відрізняється від решти МАС-адрес на Землі і присвоюється виробником за погодженням з IEEE.
Щоб полегшити процес управління мережними інтерфейсами, IEEE було запропоновано розділити 48-бітове поле адреси на чотири частини, як показано на малюнку 5. Перші два біти адреси (біти 0 та 1) є прапорцями типу адреси. Значення прапорців визначає спосіб інтерпретації адресної частини (біти 2 – 47).
Малюнок 5. Формат МАС-адреси
Біт I/G називається прапорцем індивідуальної/групової адресиі показує, якою (індивідуальною або груповою) є адреса. Індивідуальна адреса надається лише одному інтерфейсу (або вузлу) в мережі. Адреси, у яких біт I/G встановлений у 0 - це МАС-адресаабо адреси вузла.Якщо біт I/O встановлено в 1, то адреса відноситься до групової і зазвичай називається багатопунктовою адресою(multicast address) або функціональною адресою(Functional address). Групова адреса може бути присвоєна одному або декільком мережним інтерфейсам ЛОМ. Кадри, надіслані за груповою адресою, отримують або копіюють всі мережні інтерфейси ЛОМ, що володіють ним. Багатопунктові адреси дозволяють надіслати кадр під безлічі вузлів локальної мережі. Якщо біт I/O встановлено в 1, то біти від 46 до 0 трактуються як багатопунктову адресу, а не як поля U/L, OUI та OUA звичайної адреси. Біт U/L називається прапорцем універсального/місцевого управлінняі визначає, як було присвоєно адресу мережному інтерфейсу. Якщо обидва біти, I/O та U/ L, встановлені в 0, то адреса є унікальним 48-бітовим ідентифікатором, описаним раніше.
OUI (організаційно unique identifier - організаційно-унікальний ідентифікатор). IEEE надає один або кілька OUI кожному виробнику мережних адаптерів та інтерфейсів. Кожен виробник відповідає за правильність присвоєння OUA (organizationally unique address - організаційно унікальна адреса),який повинен мати будь-який створений ним пристрій.
При установці біта U/L адреса є локально керованою. Це означає, що він не виробником мережного інтерфейсу. Будь-яка організація може створити свою МАС-адресу мережного інтерфейсу шляхом установки біта U/ L в 1, а бітів з 2-го по 47-й в якесь обране значення. Мережевий інтерфейс, отримавши кадр, насамперед декодує адресу одержувача. При встановленні на адресі біта I/O рівень MAC отримає цей кадр лише у тому випадку, якщо адреса одержувача перебуває у списку, який зберігається на вузлі. Цей прийом дозволяє одному вузлу надіслати кадр багатьом вузлам.
Існує спеціальна багатопунктова адреса, звана широкомовною адресою.У 48-бітовій широкомовній IEEE-адресі всі біти встановлені в 1. Якщо кадр передається з широкомовною адресою одержувача, всі вузли мережі отримають і опрацюють його.
Поле Довжина/Тип
Поле L/T (Length/Type - Довжина/Тип) застосовується у двох різних цілях:
- визначення довжини поля даних кадру, виключаючи будь-яке доповнення пробілами;
- для позначення типу даних у полі даних.
Значення поля L/T, що знаходиться в інтервалі між 0 та 1500, є довжиною поля даних кадру; Найвище значення вказує на тип протоколу.
Взагалі поле L/T є історичним осадом стандартизації Ethernet в IEEE, що породило ряд проблем із сумісністю обладнання, випущеного до 1983. Зараз Ethernet і Fast Ethernet ніколи не використовує поля L/T. Зазначене поле служить лише узгодження з програмним забезпеченням, обробляє кадри (тобто протоколами). Але єдиним стандартним призначенням поля L/T є використання його як поля довжини - у специфікації 802.3 навіть не згадується про можливе його застосування як поля типу даних. Стандарт говорить: "Кадри зі значенням поля довжини, що перевищує визначене в пункті 4.4.2, можуть бути проігноровані, відкинуті або використані окремо. Використання даних кадрів виходить за межі цього стандарту".
Підсумовуючи сказане, зауважимо, що поле L/T є первинним механізмом, яким визначається тип кадру.Кадри Fast Ethernet і Ethernet, у яких значенням поля L/T задається довжина (значення L/T 802.3, кадри, у яких значенням цього поля встановлюється тип даних (значення L/T > 1500), називаються кадрами Ethernet- IIабо DIX.
Поле даних
У полі данихміститься інформація, яку один вузол пересилає іншому. На відміну від інших полів, що зберігають дуже специфічні відомості, поле даних може містити майже будь-яку інформацію, аби її обсяг становив щонайменше 46 і трохи більше 1500 байтів. Як форматується та інтерпретується вміст поля даних, визначають протоколи.
Якщо необхідно переслати дані довжиною менше 46 байтів, рівень LLC додає до кінця байти з невідомим значенням, звані незначними даними(Pad data). В результаті довжина поля дорівнює 46 байтам.
Якщо кадр має тип 802.3, то поле L/T вказується значення обсягу дійсних даних. Наприклад, якщо пересилається 12-байтове повідомлення, то поле L/T зберігає значення 12, а поле даних знаходяться і 34 додаткових незначних байта. Додавання незначних байтів ініціює рівень LLC Fast Ethernet і зазвичай реалізується апаратно.
Засоби рівня MAC не задають вміст поля L/T - це програмне забезпечення. Встановлення значення цього поля майже завжди виконується драйвером мережного інтерфейсу.
Контрольна сума кадру
Контрольна сума кадру (PCS - Frame Check Sequence) дозволяє переконатися, що отримані кадри не пошкоджені. При формуванні кадру, що передається, на рівні MAC використовується спеціальна математична формула CRC(Cyclic Redundancy Check – циклічний надлишковий код), призначена для обчислення 32-розрядного значення. Отримане значення міститься у полі FCS кадру. На вхід елемента рівня MAC, обчислює CRC, подаються значення всіх байтів кадру. Поле FCS є первинним та найважливішим механізмом виявлення та виправлення помилок у Fast Ethernet. Починаючи з першого байта адреси одержувача та закінчуючи останнім байтом поля даних.
Значення полів DSAP та SSAP
Значення DSAP/SSAP | Опис |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Indiv LLC Sublayer Mgt |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Group LLC Sublayer Mgt |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
SNA Path Control |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Reserved (DOD IP) |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
ISO CLNS IS 8473 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Алгоритм кодування 8В6Т перетворює восьмибітовий октет даних (8B) на шестибітовий тернарний символ (6T). Кодові групи 6Т призначені передачі паралельно по трьох витих парах кабелю, тому ефективна швидкість передачі даних з кожної кручений парі становить одну третину від 100 Мбіт/с, тобто 33,33 Мбіт/с. Швидкість передачі тернарних символів з кожної кручений парі становить 6/8 від 33,3 Мбіт/с, що відповідає тактовій частоті 25 МГц. Саме з такою частотою працює таймер інтерфейсу МП. На відміну від бінарних сигналів, які мають два рівні, тернарні сигнали, що передаються по кожній парі, можуть мати три рівні.
Таблиця кодування символів
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Вступ
Метою створення даної доповіді було коротке та доступне викладення основних принципів роботи та особливості комп'ютерних мереж, на прикладі Fast Ethernet.
Мережею називається група з'єднаних комп'ютерів та інших пристроїв. Основне призначення комп'ютерних мереж - спільне використання ресурсів та здійснення інтерактивного зв'язку як усередині однієї фірми, так і за її межами. Ресурси - це дані, програми та периферійні пристрої, такі як зовнішній дисковод, принтер, миша, модем або джойстик. Поняття інтерактивного зв'язку комп'ютерів передбачає обмін повідомленнями у реальному режимі часу.
Існує безліч наборів стандартів передачі у комп'ютерних мережах. Одним із наборів є стандарт Fast Ethernet.
З даного матеріалу ви дізнаєтесь про:
- · Технології Fast Ethernet
- · Комутатори
- · FTP кабелі
- · Типи з'єднань
- · Топологія комп'ютерної мережі
У своїй роботі я покажу принципи роботи мережі, що базується на стандарті Fast Ethernet.
Комутація локальних обчислювальних мереж (ЛВС) та технології Fast Ethernet були розроблені у відповідь на потребу підвищення ефективності функціонування мереж Ethernet. Шляхом підвищення пропускної спроможності ці технології можуть усувати "вузькі місця" в мережі та підтримувати програми, що вимагають великої швидкості передачі даних. Привабливість цих рішень у тому, що вам потрібно вибирати те чи інше. Вони взаємодоповнюють, так що ефективність функціонування мережі найчастіше можна підвищити шляхом використання обох технологій.
Зібрана інформація буде корисною як особам, які починають вивчати комп'ютерні мережі, так і мережевим адміністраторам.
1. Схема мережі
2. Технологія Fast Ethernet
комп'ютерна мережа fast ethernet
Fast Ethernet – результат розвитку технології Ethernet. Базуючись і зберігаючи в недоторканності той самий метод CSMA/CD (колективний доступ з опитуванням каналу і виявлення колізій), пристрої Fast Ethernet працюють зі швидкістю, що в 10 разів перевищує швидкість Ethernet. 100 Мбіт/с. Fast Ethernet забезпечує достатню пропускну здатність для таких програм як системи автоматизованого проектування та виробництва (CAD/CAM), графіка та обробка зображень, мультимедіа. Fast Ethernet сумісний з 10 Мбіт/с Ethernet, так що інтеграцію Fast Ethernet у вашу ЛОМ зручніше здійснити за допомогою комутатора, а не маршрутизатора.
Switch (комутатор)
За допомогою комутаторівбагато робочих груп можуть бути з'єднані між собою для формування великої ЛОМ (див. схему 1). Дешеві комутатори працюють краще, ніж маршрутизатори, забезпечуючи більш високу ефективність функціонування ЛОМ. Робочі групи Fast Ethernet, що включають один або два концентратори, можуть з'єднуватися через комутатор Fast Ethernet з метою подальшого збільшення числа користувачів, а також охоплення більшої площі.
Як приклад, розглянемо наступний комутатор:
Рис. 1 D-Link-1228/ME
Серія комутаторів DES-1228/ME включає в себе комутатори Fast Ethernet рівня 2 «premium» класу, що настроюються. Маючи розширений функціонал, пристрої DES-1228/ME є недорогим рішенням щодо створення безпечної та високопродуктивної мережі. Відмінними рисами даного комутатора є висока щільність портів, 4 гігабітні порти Uplink, невеликий крок зміни налаштувань для управління смугою пропускання та покращене мережеве управління. Ці комутатори дозволяють оптимізувати мережу як за функціоналом, так і за вартісними характеристиками. Комутатори серії DES-1228/ME є оптимальним рішенням як за функціоналом, так і за вартісними характеристиками.
FTP кабель
Кабель LAN-5EFTP-BLскладається з 4-х пар одножильних мідних провідників.
Діаметр провідника 24AWG.
Кожен провідник укладено в ізоляцію HDPE (поліетилен високої густини).
Два провідники, скручені зі спеціально підібраним кроком, складають одну кручену пару.
4 кручені пари обгорнуті поліетиленовою плівкою і разом з мідним одножильним заземлюючим провідником укладені в загальний екран із фольги та оболонку з ПВХ (PVC).
Пряме з'єднання (straight through)
Воно служить:
- 1. Для підключення комп'ютера до комутатора (хабу, світчу) через мережну карту комп'ютера
- 2. Для підключення до комутатора (хабу, світчу) мережного периферійного обладнання – принтери, сканери
- 3. для UPLINK"а на вище стоїть комутатор (хаб, свитч) - сучасні комутатори автоматично можуть налаштовувати входи в роз'єм на прийом-передачу
Перехресне з'єднання (crossover)
Воно служить:
- 1. Для прямого з'єднання 2-х комп'ютерів у локальну мережу, без використання комутаційного обладнання (хаби, світчі, маршрутизатори та інше).
- 2. для uplink, підключення до вище стоїть комутатора в складній за структурою локальної мережі, для старих типів комутаторів (хабів, свитчів), у них є окремий роз'єм, так і позначений «UPLINK» або знаком Х.
Топологія зірка
Зіркам- базова топологія комп'ютерної мережі, де всі комп'ютери мережі приєднані до центральному вузлу (зазвичай комутатор), утворюючи фізичний сегмент мережі. Подібний сегмент мережі може функціонувати як окремо, так і склад складної мережевої топології (як правило, «дерево»). Весь обмін інформацією йде виключно через центральний комп'ютер, на який у такий спосіб покладається дуже велике навантаження, тому нічим іншим, крім мережі, він не може займатися. Як правило, саме центральний комп'ютер є найпотужнішим, і саме на нього покладаються всі функції управління обміном. Жодні конфлікти в мережі з топологією зірка в принципі не можливі, тому що управління повністю централізоване.
додаток
Класичний 10-мегабітний Ethernet влаштовував більшість користувачів протягом близько 15 років. Однак на початку 90-х почала відчуватися його недостатня пропускна здатність. Для комп'ютерів на процесорах Intel 80286 або 80386 з шинами ISA (8 Мбайт/с) або EISA (32 Мбайт/с) пропускна спроможність сегмента Ethernet складала 1/8 або 1/32 каналу пам'ять-диск, і це добре узгоджувалося зі співвідношенням обсягів даних, оброблюваних локально, та даних, що передаються через мережу. Для потужніших клієнтських станцій із шиною PCI (133 Мбайт/с) ця частка впала до 1/133, що було явно недостатньо. Тому багато сегментів 10-мегабітного Ethernet стали перевантаженими, реакція серверів у них значно впала, а частота виникнення колізій суттєво зросла, ще більше знижуючи корисну пропускну здатність.
Назріла потреба у розробці «нового» Ethernet, тобто технології, яка була б такою ж ефективною за співвідношенням ціна/якість за продуктивності 100 Мбіт/с. В результаті пошуків та досліджень фахівці розділилися на два табори, що врешті-решт призвело до появи двох нових технологій – Fast Ethernet та l00VG-AnyLAN. Вони відрізняються ступенем наступності з класичним Ethernet.
У 1992 році група виробників мережного обладнання, включаючи таких лідерів технології Ethernet, як SynOptics, 3Com та ряд інших, утворили некомерційне об'єднання Fast Ethernet Alliance для розробки стандарту нової технології, яка мала максимально можливою мірою зберегти особливості технології Ethernet.
Другий табір очолили компанії Hewlett-Packard та AT&T, які запропонували скористатися зручною нагодою для усунення деяких відомих недоліків технології Ethernet. Через деякий час до цих компаній приєдналася компанія IBM, яка зробила свій внесок пропозицією забезпечити в новій технології деяку сумісність із мережами Token Ring.
У комітеті 802 інституту IEEE у цей час була сформована дослідницька група вивчення технічного потенціалу нових високошвидкісних технологій. За період з кінця 1992 року до кінця 1993 року група IEEE вивчила 100-мегабітні рішення, запропоновані різними виробниками. Поряд із пропозиціями Fast Ethernet Alliance група розглянула також високошвидкісну технологію, запропоновану компаніями Hewlett-Packard і AT&T.
У центрі дискусій була проблема збереження випадкового методу доступу CSMA/CD. Пропозиція Fast Ethernet Alliance зберігала цей метод і тим самим забезпечувало наступність та узгодженість мереж 10 Мбіт/с та 100 Мбіт/с. Коаліція HP та AT&T, яка мала підтримку значно меншої кількості виробників у мережній індустрії, ніж Fast Ethernet Alliance, запропонувала абсолютно новий метод доступу, названий Demand Priority- пріоритетний доступ на вимогу. Він суттєво змінював картину поведінки вузлів у мережі, тому не зміг вписатися у технологію Ethernet та стандарт 802.3, і для його стандартизації було організовано новий комітет IEEE 802.12.
Восени 1995 року обидві технології стали стандартами IEEE. Комітет IEEE 802.3 прийняв специфікацію Fast Ethernet в якості стандарту 802.3і, який не є самостійним стандартом, а являє собою доповнення до існуючого стандарту 802.3 у вигляді розділів з 21 по 30. Комітет 802.12 прийняв технологію l00VG-AnyLAN та підтримує кадри двох форматів - Ethernet та Token Ring.
v Фізичний рівень технології Fast Ethernet
Усі відмінності технології Fast Ethernet від Ethernet зосереджені фізично (рис. 3.20). Рівні MAC і LLC у Fast Ethernet залишилися абсолютно тими самими, і їх описують колишні розділи стандартів 802.3 та 802.2. Тому розглядаючи технологію Fast Ethernet, ми вивчатимемо лише кілька варіантів її фізичного рівня.
Більш складна структура фізичного рівня технології Fast Ethernet викликана тим, що в ній використовуються три варіанти кабельних систем:
- · волоконно-оптичний багатомодовий кабель, використовуються два волокна;
- · Кручена пара категорії 5, використовуються дві пари;
- · Кручена пара категорії 3, використовуються чотири пари.
Коаксіальний кабель, що дав світові першу мережу Ethernet, до дозволених середовищ передачі даних нової технології Fast Ethernet не потрапив. Це загальна тенденція багатьох нових технологій, оскільки на невеликих відстанях кручена пара категорії 5 дозволяє передавати дані з тією ж швидкістю, що й коаксіальний кабель, але мережа виходить дешевшою та зручнішою в експлуатації. На великих відстанях оптичне волокно має набагато ширшу смугу пропускання, ніж коаксіал, а вартість мережі виходить ненабагато вище, особливо якщо врахувати високі витрати на пошук та усунення несправностей у великій кабельній коаксіальній системі.
Відмінності технології Fast Ethernet від технології Ethernet
Відмова від коаксіального кабелю призвела до того, що мережі Fast Ethernet завжди мають ієрархічну деревоподібну структуру, побудовану на концентраторах, як мережі l0Base-T/l0Base-F. Основною відмінністю конфігурацій мереж Fast Ethernet є скорочення діаметра мережі приблизно до 200 м, що пояснюється зменшенням часу передачі кадру мінімальної довжини в 10 разів за рахунок збільшення швидкості передачі в 10 разів у порівнянні з 10-мегабітним Ethernet.
Тим не менш, ця обставина не дуже перешкоджає побудові великих мереж на технології Fast Ethernet. Справа в тому, що середина 90-х років відзначена не лише широким поширенням недорогих високошвидкісних технологій, а й бурхливим розвитком локальних мереж на основі комутаторів. При використанні комутаторів протокол Fast Ethernet може працювати у повнодуплексному режимі, у якому немає обмежень на загальну довжину мережі, а залишаються лише обмеження на довжину фізичних сегментів, що з'єднують сусідні пристрої (адаптер – комутатор або комутатор – комутатор). Тому при створенні магістралей локальних мереж великої протяжності технологія Fast Ethernet також активно, застосовується, але у повнодуплексному варіанті, разом із комутаторами.
У даному розділі розглядається напівдуплексний варіант роботи технології Fast Ethernet, що повністю відповідає визначенню методу доступу, описаному у стандарті 802.3.
У порівнянні з варіантами фізичної реалізації Ethernet (а їх налічується шість), у Fast Ethernet відмінності кожного варіанта від інших глибше - змінюється як кількість провідників, так і методи кодування. Оскільки фізичні варіанти Fast Ethernet створювалися одночасно, а чи не еволюційно, як мереж Ethernet, то була можливість детально визначити ті підрівні фізичного рівня, які змінюються від варіанту до варіанту, і ті підрівні, які специфічні кожному за варіанта фізичного середовища.
Офіційний стандарт 802.3 і встановив три різні специфікації для фізичного рівня Fast Ethernet і дав їм такі назви:
Структура фізичного рівня Fast Ethernet
- · 100Base-TX для двопарного кабелю на неекранованій кручений парі UTP категорії 5 або екранованої кручений парі STP Type 1;
- · 100Base-T4 для чотирипарного кабелю на неекранованій кручений парі UTP категорії 3, 4 або 5;
- · 100Base-FX для багатомодового оптоволоконного кабелю, використовуються два волокна.
Для всіх трьох стандартів справедливі такі твердження та характеристики.
- · Формати кадрів технології Fast Ethernetee відрізняються від форматів кадрів технологій 10-мегабітного Ethernet.
- · Міжкадровий інтервал (IPG) дорівнює 0,96 мкс, а бітовий інтервал дорівнює 10 нс. Усі тимчасові параметри алгоритму доступу (інтервал відстрочки, час передачі кадру мінімальної довжини тощо), виміряні в бітових інтервалах, залишилися незмінними, тому зміни розділи стандарту, що стосуються рівня MAC, не вносилися.
- · Ознакою вільного стану середовища є передача символом Idle відповідного надлишкового коду (а не відсутність сигналів, як у стандартах Ethernet 10 Мбіт/с). Фізичний рівень включає три елементи:
- o рівень узгодження (reconciliation sublayer);
- o незалежний від середовища інтерфейс (Media Independent Interface, Mil);
- o пристрій фізичного рівня (Physical layer device, PHY).
Рівень узгодження необхідний у тому, щоб рівень MAC, розрахований інтерфейс AUI, зміг працювати з фізичним рівнем через інтерфейс МП.
Пристрій фізичного рівня (PHY) складається, у свою чергу, з кількох підрівень (див. рис. 3.20):
- · рівня логічного кодування даних, що перетворює байти, що надходять від рівня MAC, у символи коду 4В/5В або 8В/6Т (обидва коди використовуються в технології Fast Ethernet);
- · підрівень фізичного приєднання та підрівня залежності від фізичного середовища (PMD), які забезпечують формування сигналів відповідно до методу фізичного кодування, наприклад NRZI або MLT-3;
- · підрівня автопереговорів, який дозволяє двом взаємодіючим портам автоматично вибрати найбільш ефективний режим роботи, наприклад, напівдуплексний або повнодуплексний (цей підрівень є факультативним).
Інтерфейс МП підтримує незалежний від фізичного середовища спосіб обміну даними між рівнем MAC і рівнем PHY. Цей інтерфейс аналогічний за призначенням інтерфейсу AUI класичного Ethernet за винятком того, що інтерфейс AUI розташовувався між підрівнем фізичного кодування сигналу (для будь-яких варіантів кабелю використовувався однаковий метод фізичного кодування - манчестерський код) і підрівнем фізичного приєднання до середовища, а інтерфейс МП розташовується між та підрівнями кодування сигналу, яких у стандарті Fast Ethernet три - FX, ТХ та Т4.
Роз'єм МП, на відміну від роз'єму AUI, має 40 контактів, максимальна довжина кабелю МП становить один метр. Сигнали, що передаються по інтерфейсу МП, мають амплітуду 5 Ст.
Фізичний рівень 100Base-FX - багатомодове оптоволокно, два волокна
Ця специфікація визначає роботу протоколу Fast Ethernet по багатомодовому оптоволокну в напівдуплексному та повнодуплексному режимах на основі добре перевіреної схеми кодування FDDI. Як і стандарті FDDI, кожен вузол з'єднується з мережею двома оптичними волокнами, що йдуть від приймача (R х) і від передавача (Т х).
Між специфікаціями l00Base-FX та l00Base-TX є багато спільного, тому загальні для двох специфікацій властивості будуть даватися під узагальненою назвою l00Base-FX/TX.
У той час як Ethernet зі швидкістю передачі 10 Мбіт/с використовує манчестерське кодування для представлення даних при передачі кабелем, у стандарті Fast Ethernet визначено інший метод кодування - 4В/5В. Цей метод вже показав свою ефективність у стандарті FDDI і без змін перенесено на специфікацію l00Base-FX/TX. У цьому методі кожні 4 біта даних підрівня MAC (званих символами) представляються 5 бітами. Надлишковий біт дозволяє застосувати потенційні коди при поданні кожного з п'яти біт як електричних або оптичних імпульсів. Існування заборонених комбінацій символів дозволяє відбраковувати помилкові символи, що підвищує стабільність роботи мереж з l00Base-FX/TX.
Для відокремлення кадру Ethernet від символів Idle використовується комбінація символів Start Delimiter (пара символів J (11000) та К (10001) коду 4В/5В, а після завершення кадру перед першим символом Idle вставляється символ Т.
Безперервний потік даних специфікацій 100Base-FX/ТХ
Після перетворення 4-бітових порцій кодів MAC на 5-бітові порції фізичного рівня їх необхідно подати у вигляді оптичних або електричних сигналів у кабелі, що з'єднує вузли мережі. Специфікації l00Base-FX і l00Base-TX використовують для цього різні методи фізичного кодування - NRZI та MLT-3 відповідно (як і в технології FDDI під час роботи через оптоволокно та кручену пару).
Фізичний рівень 100Base-TX - кручена пара DTP Cat 5 або STP Type 1, дві пари
Як середовище передачі даних специфікація l00Base-TX використовує кабель UTP категорії 5 або кабель STP Type 1. Максимальна довжина кабелю в обох випадках – 100 м.
Основні відмінності від специфікації l00Base-FX – використання методу MLT-3 для передачі сигналів 5-бітових порцій коду 4В/5В по кручений парі, а також наявність функції автопереговорів (Auto-negotiation) для вибору режиму роботи порту. Схема автопереговорів дозволяє двом з'єднаним фізично пристроям, які підтримують кілька стандартів фізичного рівня, що відрізняються бітовою швидкістю та кількістю кручених пар, вибрати найбільш вигідний режим роботи. Зазвичай процедура автопереговорів відбувається при підключенні мережного адаптера, який може працювати на швидкостях 10 і 100 Мбіт/с, концентратору або комутатору.
Наведена нижче схема Auto-negotiation сьогодні є стандартом технології l00Base-T. До цього виробники застосовували різні власні схеми автоматичного визначення швидкості роботи взаємодіючих портів, які були сумісні. Прийняту як стандарт схему Auto-negotiation запропонувала спочатку компанія National Semiconductor під назвою NWay.
Усього в даний час визначено 5 різних режимів роботи, які можуть підтримувати пристрої l00Base-TX або 100Base-T4 на кручених парах;
- · l0Base-T - 2 пари категорії 3;
- · l0Base-T full-duplex – 2 пари категорії 3;
- · l00Base-TX - 2 пари категорії 5 (або Type 1ASTP);
- · 100Base-T4 – 4 пари категорії 3;
- · 100Base-TX full-duplex – 2 пари категорії 5 (або Type 1A STP).
Режим l0Base-T має найнижчий пріоритет при переговорному процесі, а повнодуплексний режим 100Base-T4 – найвищий. Переговорний процес відбувається при включенні живлення пристрою, а також може бути ініційований будь-якої миті модулем керування пристрою.
Пристрій, що почав процес auto-negotiation, посилає своєму партнеру пачку спеціальних імпульсів Fast Link Pulse burst (FLP), в якому міститься 8-бітне слово, що кодує пропонований режим взаємодії, починаючи з пріоритетного, що підтримується даним вузлом.
Якщо вузол-партнер підтримує функцію auto-negotuiation і може підтримувати запропонований режим, він відповідає пачкою імпульсів FLP, у якій підтверджує даний режим, і цьому переговори закінчуються. Якщо ж вузол-партнер може підтримувати менш пріоритетний режим, він вказує його у відповіді, і цей режим вибирається як робочого. Таким чином, завжди вибирається найпріоритетніший загальний режим вузлів.
Вузол, який підтримує лише технологію l0Base-T, кожні 16 мс посилає манчестерські імпульси для перевірки цілісності лінії, що зв'язує його із сусіднім вузлом. Такий вузол не розуміє запит FLP, який робить йому вузол із функцією Auto-negotiation, і продовжує надсилати свої імпульси. Вузол, який у відповідь на запит FLP лише імпульси перевірки цілісності лінії, розуміє, що його партнер може працювати тільки за стандартом l0Base-T, і встановлює цей режим роботи і для себе.
Фізичний рівень 100Base-T4 - кручена пара UTP Cat 3, чотири пари
Специфікація 100Base-T4 була розроблена для того, щоб можна було використовувати для високошвидкісного Ethernet наявну проводку на кручений парі категорії 3. Ця специфікація дозволяє підвищити загальну пропускну здатність за рахунок одночасної передачі потоків біт по всіх 4 парах кабелю.
Специфікація 100Base-T4 з'явилася пізніше за інші специфікації фізичного рівня Fast Ethernet. Розробники цієї технології насамперед хотіли створити фізичні специфікації, найбільш близькі до специфікацій l0Base-T та l0Base-F, які працювали на двох лініях передачі даних: двох парах або двох волокнах. Задля реалізації роботи з двом витим парам довелося перейти більш якісний кабель категорії 5.
У той самий час розробники конкуруючої технології l00VG-AnyLAN спочатку зробили ставку працювати з кручений парі категорії 3; Найголовніша перевага полягала не так у вартості, а в тому, що вона була вже прокладена в переважній кількості будівель. Тому після випуску специфікацій l00Base-TX та l00Base-FX розробники технології Fast Ethernet реалізували свій варіант фізичного рівня для крученої пари категорії 3.
Замість кодування 4В/5В у цьому методі використовується кодування 8В/6Т, яке має більш вузький спектр сигналу і при швидкості 33 Мбіт/с укладається в смугу 16 МГц кручений пари категорії 3 (при кодуванні 4В/5В спектр сигналу в цю смугу не укладається) . Кожні 8 біт інформації рівня MAC кодуються 6-ма троїчними цифрами (ternary symbols), тобто цифрами, що мають три стани. Кожна трійка має тривалість 40 нс. Група з 6-ти трійних цифр потім передається на одну з трьох передавальних кручених пар, незалежно і послідовно.
Четверта пара завжди використовується для прослуховування несучої частоти для виявлення колізії. Швидкість передачі даних з кожної із трьох передавальних пар дорівнює 33,3 Мбіт/с, тому загальна швидкість протоколу 100Base-T4 становить 100 Мбіт/с. У той же час через прийнятий спосіб кодування швидкість зміни сигналу на кожній парі дорівнює всього 25 Мбод, що і дозволяє використовувати кручені пари категорії 3.
На рис. 3.23 показано з'єднання порту MDI мережевого адаптера 100Base-T4 з портом MDI-X концентратора (приставка Х говорить про те, що у цього роз'єму приєднання приймача та передавача змінюються парами кабелю порівняно з роз'ємом мережевого адаптера, що дозволяє простіше з'єднувати пари проводів у кабелі - без перехрещення). Пара 1 -2 завжди потрібно для передачі даних від порту MDI до порту MDI-X, пара 3 -6 - для прийому даних портом MDI від порту MDI-X, а пари 4 -5 і 7 -8 є двонаправленими і використовуються як прийому, так передачі, залежно від потреби.
З'єднання вузлів специфікації 100Base-T4
