Лекции по "Основы построения телекоммуникационных систем"

Лекция 12. Базовые технологии локальных  сетей

 

Прежде  чем перейти к рассмотрению сетевого и более высоких уровней модели ВОС, познакомимся с основными принципами построения разных типов локальных  сетей. Мы уже познакомились в  общих чертах с технологией Ethernet, принцип работы которой состоит в обмене информацией между компьютерами в режиме передачи пакетов через разделяемую среду доступа в виде общей шины с разрешением коллизий CSMA/CD. Существуют варианты технологии сетей Ethernet, а также другие технологии построения локальных сетей.

 Технология Ethernet

Ethernet –  самый распространенный на сегодняшний   день стандарт локальных сетей.  Когда говорят  Ethernet, то под этим обычно понимают любой из вариантов этой технологии. Используемый в ней метод доступа CSMA/CD был опробован еще в 1975 г. в радиосети Гавайского университета, получивший название Aloha. В 1980 г. фирмы DEC, Intel, Xerox совместно разработали и опубликовали стандарт Ethernet, на основе которого был разработан стандарт IEEE 802/3, принятый во всем мире. В зависимости от типа используемой физической среды стандарт IEEE 802.3  имеет различные модификации. –10Base-5, 10Base-2, 10Base- T, 10Base-FL.  Используемая здесь тактовая частота – равна 10 Мбит/с

В  1995 г. был принят стандарт Fast Ethernet, который является вариантом стандарта 802.3 под разделом 802.3u. Здесь тактовая частота – 100 Мбит/с

Аналогично  принятый в 1998 г. стандарт Gigabit Ethernet описан в разделе 802.3z . Тактовая частота- 1000 Мбит/с.

Рассмотрим  более детально технологию и  этапы доступа к среде в технологии Ethernet. Структура пакета, формируемого на канальном уровне, показана на рис.

 

 

Преамбула Управление  Данные Контрольная

Адрес    Адрес сумма

                                Получателя   отправителя

 

В пакет  Ethernet  входят следующие поля:

• Преамбула – состоит из 8 байт
• Адрес получателя –6 байт и адрес приемника- 6 байт
• Поле управления содержит информацию о длине поля данных
• Поле данных должно включать в себя от 46 до 1500 байтов
• Поле контрольной суммы (FCS- Frame Check Sequence)  имеет 4 байта

Все данные, передаваемые по сети, помещаются в кадры определенной структуры  и снабжаются уникальным адресом  станции назначения. Чтобы получить возможность передавать кадр, станция  должна убедиться, что среда свободна. Это достигается прослушиванием основной гармоники сигнала, которая называется несущей частотой (carrier-sense, CS). При манчестерском кодировании эта частота равна 5-10 МГц.

Если среда свободна, то узел начинает передачу кадра. Кадр данных всегда сопровождается преамбулой, которая состоит из 7 байт 10101010 и 8-го байта 10101011. Преамбула нужна для вхождения в синхронизм. Все станции могут распознать факт передачи, а та станция, которая обнаруживает свой адрес, записывает его в свой буфер, обрабатывает данные и посылает ответ. После окончания передачи все узлы должны выдержать технологическую паузу в 9,6. мкс.

Если возникает коллизия,, то станции  прекращают передачу, а та станция  которая это обнаружила усиливает  ситуацию коллизии посылкой в сеть специальной последовательности из 32 байт, называемой jam-последовательностью.

Передающая станция делает попытку  захватить канал через случайный  интервал времени, который выбирается по специальному алгоритму:

Пауза = L х (интервал отсрочки), где интервал отсрочки равен 512 битовых интервалов ( для скорости 10 Мбит/с величина битового интервала равна 0,1мкс)

L – целое число, выбранное из интервала (1, 2^N), где N –номер повторной попытки передачи данного кадра: 1,2, … 10.

После 10-й попытки интервал, из которого выбирается пауза, не увеличивается.

Если 16 последовательных попыток передачи кадра вызывают коллизию, то передатчик должен прекратить попытки и отбросить кадр.

 

Найдем, чему равна максимальная производительность сети при отсутствии коллизий. Поскольку  для коммуникационного оборудования наиболее тяжелым режимом является обработка кадров минимальной длины (на их обработку тратится столько же времени, сколько на длинные кадры), а количество кадров минимальной длины, поступающих в единицу времени на устройство, естественно больше, чем любой другой длины.

Для Ethernet  размер кадра минимальной длины равен для поля данных – 46 байт,  вместе с преамбулой 72 байт или 576 бит, или 57,5 мкс. Межкадровый интервал  (IPG) 9,6 мкс, тогда период следования кадров минимальной длины равен 67,1 мкс. Отсюда максимально возможная пропускная способность сегмента Ethernet составляет 14880 кадр/с Кадры максимальной длины составляют для поля данных 1500 байт,  вместе с преамбулой составляют 1526 байт или 12208 бит, или 813 кадр/с Какова будет полезная пропускная способность протокола, под которой понимается скорость передачи пользовательских данных.  Для кадров минимальной длины полезная пропускная способность равна

С= 14880 х 46 х 8 = 5,48 Мбит/с     (значительно  меньше 10 Мбит/) Коэффициент использ.=0548

Для кадров максимальной длины 

С = 813 х 1500 х 8 = 9,76 Мбит/с   Коэф. использования = 0,975

Коэффициент использования – это  отношение текущей пропускной способности  сети к ее максимальной пропускной способности

Считается, что для загруженных сетей Ethernet хорошим значением показателя использования сети является 30%.

 

На рис. Показана зависимость  показателя использования от времени, при условии, что предложенная нагрузка линейно возрастает

 

 Требуемая  100

 скорость Точка

 передачи Полная нагрузка насыщения Показатель

 Показатель   использования сети

использования сети

Предложенная 

нагрузка

   

  1 2 3

 

1 – наилучшая область работы; 2 – приемлемая область работы; 3 плохая область работы

 

Очевидно, что в сильно нагруженной сети коллизии будут возникать очень часто, при этом пропускная способность сети резко падает, так как сеть постоянно занята повторными попытками передачи кадров.

 

Кратко рассмотрим особенности  вариантов сетей Ethernet

1. 10Base 5 Использует толстый (около 1 см) 50-омный коаксиальный кабель. Жесткий, трудно прокладывать и переносить. При подключении к сетевым адаптерам производится прокол. Сейчас не применяется
2. 10Base 2  Использует тонкий (около 0,5 см) 50-омный коаксиальный кабель. При подключении применяются байонетные разъемы. Вся сеть должна состоять не более, чем из 5-ти сегментов и иметь не более 30 х 5=150 компьютеров.
3. 10Base T – сеть на базе витой пары развивается с 1990 г. Более удобна, поскольку проще в монтаже. К компьютеру подходит 1 кабель из 2-х витых пар- передающей и принимающей, а не 2, как в коаксиальном варианте. Сеть строится обычно по топологии «пассивная звезда» с хабом, которая совместима с Fast Ethernet. Длина кабеля между адаптером и концентратором не должна превышать 100 м. Обычно используется UTP категории 3
4. 10Base FL использует оптоволоконный кабель, который позволяет достигнуть скорости до 1000 Мбит/с.

 

 

ВОЛС

                                                                                                 До 2 км

 

 

 

До 25 м

 

Технология Fast Ethernet –Является развитием технологии Ethernet, работает на скорости тактовой частоты 100 Мбит/с, с 1995 г. в качестве стандарта 802.3u.

Все отличия Fast Ethernet и Ethernet сосредоточены на физическом уровне.

В ней используется 3 варианта кабельных систем6

- волоконно-оптический многомодовый  кабель 100Base FX

• витая пара категории 5 (2 пары) 100Base TX
• витая пара категории 3 (4 пары) 100Base T4

Диаметр сети сокращается до 200 м, что  объясняется уменьшением длительности минимального кадра в 10 раз. Правда, при использовании коммутаторов ограничений на полную длину сети нет.

Современное оборудование позволяет  работать с обоими стандартами  Ethernet 10/100

Технология Gigabit Ethernet

Уровень MAC стандарта Gigabit Ethernet использует тот же самый протокол передачи CSMA/CD что и его предки Ethernet и Fast Ethernet. Основные ограничения на максимальную длину сегмента (или коллизионного домена) определяются этим протоколом.

В стандарте Ethernet IEEE 802.3 принят минимальный размер кадра 64 байта. Именно значение минимального размера кадра определяет максимальное допустимое расстояние между станциями (диаметр коллизионного домена). Время, которого станция передает такой кадр - время канала - равно 512 BT или 51,2 мкс. Максимальная длина сети Ethernet определяется из условия разрешения коллизий, а именно время, за которое сигнал доходит до удаленного узла и возвращается обратно RDT не должно превышать 512 BT (без учета преамбулы).

При переходе от Ethernet к Fast Ethernet скорость передачи возрастает, а время трансляции кадра длины 64 байта соответственно сокращается - оно равно 512 BT или 5,12 мкс (в Fast Ethernet 1 BT = 0,01 мкс). Для того, чтобы можно было обнаруживать все коллизии до конца передачи кадра, как и раньше необходимо удовлетворить одному из условий:

1. сохранить прежнюю максимальную длину сегмента, но увеличить время канала (и следовательно увеличить минимальную длину кадра), или
2. сохранить время канала, (сохранить прежний размер кадра), но уменьшить максимальную длину сегмента.

В Fast Ethernet был оставлен такой же минимальный размер кадра, как в Ethernet. Это сохранило совместимость, но привело к значительному уменьшению диаметра коллизионного домена.

Опять же в силу преемственности  стандарт Gigabit Ethernet должен поддерживать те же минимальный и максимальный размеры кадра, которые приняты в Ethernet и Fast Ethernet. Но поскольку скорость передачи возрастает, то соответственно уменьшается и время передачи пакета аналогичной длины. При сохранении прежней минимальной длины кадра это привело бы к уменьшению диаметра сети, который не превышал бы 20 метров, что могло быть мало полезным. Поэтому, при разработке стандарта Gigabit Ethernet было принято решение увеличить время канала. В Gigabit Ethernet оно составляет 4096 BT и в 8 раз превосходит время канала Ethernet и Fast Ethernet. Но, чтобы поддержать совместимость со стандартами Ethernet и Fast Ethernet, минимальный размер кадра не был увеличен, а было добавлено к кадру дополнительное поле, получившее название "расширение носителя".

Расширение носителя (carrier extension)

Символы в дополнительном поле обычно не несут служебной информации, но они заполняют канал и увеличивают "коллизионное окно". В результате, коллизия будет регистрироваться всеми  станциями при большем диаметре коллизионного домена.

Если станция желает передать короткий (меньше 512 байт) кадр, до при передаче добавляется это поле - расширение носителя, дополняющее кадр до 512 байт. Поле контрольной суммы вычисляется только для оригинального кадра и не распространяется на поле расширения. При приеме кадра поле расширения отбрасывается. Поэтому уровень LLC даже и не знает о наличии поля расширения. Если размер кадра равен или превосходит 512 байт, то поле расширения носителя отсутствует. На рис.5 показан формат кадра Gigabit Ethernet при использовании расширения носителя.

 
 

Рис.5.Кадр Gigabit Ethernet с полем расширения носителя

Пакетная перегруженность (Packet Bursting)

Расширение носителя - это наиболее естественное решение, которое позволило сохранить совместимость со стандартом Fast Ethernet, и такой же диаметр коллизионного домена. Но оно привело к излишней трате полосы пропускания. До 448 байт (512-64) может расходоваться в холостую при передаче короткого кадра. На стадии разработки стандарта Gigabit Ethernet компанией NBase Communications было внесено предложение по модернизации стандарта. Эта модернизация, получившая название пакетная перегруженность, позволяет эффективней использовать поле расширения. Если у станции/коммутатора имеется несколько небольших кадров для отправки, то первый кадр дополняется полем расширения носителя до 512 байт, и отправляется. Остальные кадры отправляются вслед с минимальным межкадровым интервалом в 96 бит, с одним важным исключением - межкадровый интервал заполняется символами расширения, (рис.6а). Таким образом среда не замолкает между посылками коротких оригинальных кадров, и ни какое другое устройство сети не может вклиниться в передачу. Такое пристраивание кадров может происходить до тех пор, пока полное число переданных байт не превысит 1518. Пакетная перегруженность уменьшать вероятность образования коллизий, поскольку перегруженный кадр может испытать коллизию только на этапе передачи первого своего оригинального кадра, включая расширение носителя, что безусловно увеличивает производительность сети, особенно при больших нагрузках (рис.6-б).

 
 
 
 
 

Рис.6.Пакетная перегруженность: 
а) передача кадров; 
б) поведение полосы пропускания

 

 

Технология Token Ring (802.5)

Эти сети также характеризует разделяемая  среда передачи, которая состоит  из отрезков кабеля, соединяющих компьютеры сети в кольцо. Однако доступ к нему организуется не случайный, а детерминированный, основанный на передаче станциям права на использование кольца в определенном порядке. Это право передается с помощью кадра специального формата, называемого маркером или токеном (token)/

Технология Token Ring была разработана компанией IBM в 1984 г., которая использует эту технологию к качестве основной при построении сетей.

Сети TR работают с 2-мя битовыми скоростями – 4 и 16 Мбит/с. Технология обладает свойствами отказоустойчивости, посланный кадр всегда возвращается в станцию отправитель, где обнаруживаются ошибки, а иногда автоматически исправляются. Для контроля сети одна из станций выполняет роль активного монитора. У этой станции, как правило, максимальное значение МАС-адреса.

Маркерный доступ к сети заключается  в том. Что право на доступ к  сети в  виде маркера передается циклически от станции к станции  по логическому кольцу.

 

 

 

 

 

 

 2

 1

 2 3

 

 1 3

 4

 

 6

 

5 

 

В сети TR любая станция всегда получает данные от одной станции – той, которая является предыдущей в кольце. Передачу данных станция всегда осуществляет своему соседу вниз по потоку данных. Станция, которая имеет данные для передачи, при получении маркера изымает его из кольца, что дает ей право на передачу своих данных. Все станции кольца ретранслируют кадр побитно, как повторители. Если кадр проходит через станцию назначения, то распознав свой адрес, эта станция, копирует кадр в свой внутренний буфер и вставляет в кадр признак подтверждения приема. Станция –отправитель, получив кадр с подтверждением приема, изымает его из кольца и передает в сеть новый маркер для обеспечения возможности другим станциям передавать свои кадры.

Время владения разделяемой средой в сети TR ограничивается временем удержания маркера, которое по умолчанию равно 10мс. Максимальный размер кадра в сети 4 Мбит/с обычно 4 Кбайт, в сети 16 Мбит/с- 16 Кбайт, поскольку за это время станция должна успеть предать хотя бы 1 кадр.

В сети TR 16Мбит/с имеется алгоритм раннего освобождения маркера.

Для  различных видов сообщений  передаваемым кадрам могут назначаться  различные приоритеты-  от 0 до 7. Маркер всегда имеет некоторый уровень текущего приоритета. Станция имеет право захватить переданный ей маркер, если приоритет кадра, который она хочет передать, выше. За наличие в сети маркера отвечает активный монитор. Если активный монитор не получает маркер в течение длительного времени, (2,6 с), то он порождает новый маркер.