Манчестерский код

Манчестерский код был разработан, как усовершенствованный биполярный импульсный код. Манчестерский код также относится к самосинхронизирующимся кодам, но в отличие от биполярного кода имеет не три, а только два уровня, что обеспечивает лучшую помехозащищенность.

В манчестерском коде для кодирования единиц и нулей используется перепад потенциала, то есть фронт импульса. При манчестерском кодировании каждый такт делится на две части. Информация кодируется перепадами потенциала, происходящими в середине каждого такта. Это происходит следующим образом:

Единица кодируется перепадом от низкого уровня сигнала к высокому, а ноль - обратным перепадом. В начале каждого такта может происходить служебный перепад сигнала, если нужно представить несколько единиц или нулей подряд.

Рассмотрим частные случаи кодирования (последовательности из чередующихся нулей и единиц, одних нулей, одних единиц), а потом будем определять основные гармоники для каждой из последовательностей(см. рис. 5.14) . Во всех случаях можно заметить, что при манчестерском кодировании изменение сигнала в центре каждого бита позволяет легко выделить синхросигнал. Поэтому манчестерский код и обладает хорошими самосинхронизирующимися свойствами.

Рис. 5.14 Манчестерский код

5.2.7 Дифференциальный манчестерский (Differential Manchester) код.

Дифференциальный манчестерский код является разновидностью манчестерского кодирования. Середину тактового интервала линейного сигнала он использует только для синхронизации, и на ней всегда происходит смена уровня сигнала. Логические 0 и 1 передаются наличием или отсутствием смены уровня сигнала в начале тактового интервала соответственно (Рис. 5.16)

Рис. 5.16 Дифференциальный манчестерский код

Этот код обладает теми же самыми преимуществами и недостатками, что и манчестерский. Но, на практике используется именно дифференциальный манчестерский код.

Таким образом, манчестерский код раньше (когда высокоскоростные линии были большой роскошью для локальной сети) очень активно использовался в локальных сетях, из-за своей самосинхронизации и отсутствия постоянной составляющей. Он и сейчас находит широкое применение в оптоволоконных и электропроводных сетях. Однако в последнее время разработчики пришли к выводу, что лучше все-таки применять потенциальное кодирование, ликвидируя его недостатки с помощью средствами так называемого логического кодирования.

5.2.8 Потенциальный код 2B1Q

Код 2B1Q - потенциальный код с четырьмя уровнями сигнала для кодирования данных. Его название отражает его суть - каждые два бита (2В) передаются за один такт сигналом, имеющим четыре состояния (1Q).

Паре бит 00 соответствует потенциал (-2,5 В), паре бит 01 соответствует потенциал (-0,833 В), паре 11 - потенциал (+0,833 В), а паре 10 - потенциал (+2,5 В).

Рис. 5.17 Потенциальный код 2B1Q

Как видно на рисунке 5.17, этот способ кодирования требует дополнительных мер по борьбе с длинными последовательностями одинаковых пар бит, так как при этом сигнал превращается в постоянную составляющую. Следовательно, при передаче, как нулей, так и единиц fо=0Гц. При чередовании единиц и нулей спектр сигнала в два раза уже, чем у кода NRZ, так как при той же битовой скорости длительность такта увеличивается в два раза - fо=N/4 Гц.

Таким образом, с помощью кода 2B1Q можно по одной и той же линии передавать данные в два раза быстрее, чем с помощью кода AMI или NRZI. Однако для его реализации мощность передатчика должна быть выше, чтобы четыре уровня потенциала (-2,5В, -0,833 В, +0,833 В, +2,5 В) четко различались приемником на фоне помех.

5.2.9 Код PAM5

Все рассмотренные нами выше схемы кодирования сигналов были битовыми. При битовом кодировании каждому биту соответствует значение сигнала, определяемое логикой протокола.

При байтовом кодировании уровень сигнала задают два бита и более. В пятиуровневом коде PAM 5 используется 5 уровней напряжения (амплитуды) и двухбитовое кодирование. Для каждой комбинации задается свой уровень напряжения. При двухбитовом кодировании для передачи информации необходимо четыре уровня (два во второй степени - 00, 01, 10, 11). Передача двух битов одновременно обеспечивает уменьшение в два раза частоты изменения сигнала. Пятый уровень добавлен для создания избыточности кода, используемого для исправления ошибок. Это дает дополнительный резерв соотношения сигнал/шум.

Рис. 5.18 Код PAM 5

7. БАЗОВЫЕ СЕТЕВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ.

Базовая сетевая технология - это согласованный набор протоколов и реализующих их программно-аппаратных средств, достаточный для построения вычислительной сети. В общем случае физический и канальный уровень отражают всю специфику сети. Спецификаций физического уровня существует много. Все они отличаются определенной используемой кабельной системой (тонкий коаксиальный кабель, толстый коаксиальный кабель, витая пара и т.п.), и способом физического кодирования сигналов в кабелях (NRZI, манчестерское кодирование). Причем большинство базовых технологий локальных сетей допускает использование различных спецификаций физического уровня в одной сети. Обеспечение же взаимодействия узлов в локальной сети приходится на долю канального уровня. Протоколы канального уровня, которые работают в локальных сетях, ориентируются на использование разделяемой среды передачи между компьютерами сети. Канальный уровень локальной сети обеспечивает доставку кадра между двумя узлами локальной сети с совершенно определенной топологией связей, для которой он был разработан. Топологии, которые поддерживают протоколы канального уровня локальных сетей - это хорошо известные нам, типовые топологии - общая шина, кольцо и звезда. Для каждой топологии разрабатываются определенные правила передачи данных и используются различные средства физического уровня, главное, чтобы все вместе работало согласованно.

Таким образом, базовая сетевая технология - это совместимость канального и физического уровня для построения сети.

Важно отметить, что канальный уровень имеет ограниченные возможности передавать данные между локальными сетями различных технологий. В частности, эта возможность связана с тем, что в этих технологиях используются адреса одинакового формата.

7.1.Эталонная модель локальных сетей.

7.1. 1.Комитет стандартов IEEE 802.x.

Существенный вклад в развитие стандартов по локальным компьютерным сетям внес Институт инженеров по электронике и радиоэлектронике (IEEE Institute of Electrical and Electronic Engineers) США. В рамках этого института в 1980 году был организован комитет 802, задачей которого является разработка стандартов по проектированию нижних уровней локальных вычислительных сетей. В рамках этого комитета были созданы подкомитеты 1-9, номера которых и были присвоены соответствующим стандартам. Помимо модели OSI существует модель IEEE Project 802, принятая в феврале 1980 г.(отсюда и 802 в названии). Прежде чем рассмотреть структуру стандарта IEEE 802.x давайте вернемся к истории и проследим, как же развивалось проектирование сетей, ведь не сразу же было решено и определено, какой протокол какой структуре сети отвечает

Во второй половине 70-х годов самым простым решением было - присоединить все компьютеры в сети к одному общему кабелю и разделить во времени доступ к этому кабелю для каждого узла. Сети такого рода давали как положительные (простота установки, замены и добавления узлов, дешевизна), так и отрицательные результаты. Неприятности заключались в ограничениях по производительности и надежности, т.е наличие только одного пути передачи информации, разделяемого всеми узлами сети, будет ограничивать пропускную способность всей сети пропускной способностью только этого пути (которая будет делиться, в таком случае, в среднем на число компьютеров сети), а надежность всей сети - надежностью этого пути. Некоторое время такие характеристики сети устраивали пользователей.

По мере роста популярности сетей стали расширяться области их применения. Локальные сети становились инструментом для ведения каких-либо переговоров, сделок. Локальные сети стали объединять все больше и больше компьютеров. Такие фирмы IBM, Datapoint Corporation, Xerox в то время трудились над созданием различных сетевых средств и технологий (аппаратных средств, кабельных систем и т.п.), которые разрабатывались в соответствии со своими собственными фирменными требованиями. Такая строгая монополизация разработок существовала довольно таки длительный период развития сетей. Каждая фирма разрабатывала сети под себя. Наблюдалось полное отсутствие каких-либо стандартов. Каждый видел свою сеть по-своему, одни производители учитывали какие-то особенности в проектировании сети, другие их упускали. Хотя все разрабатываемые технологии имели, конечно, и какие-то общие подходы и общие функции, ведь они занимались в целом одной задачей. Мало того, нужно сказать, что на то время не существовало даже модели сетевого взаимодействия OSI как таковой, то есть, существовавшие идеологии сетевого взаимодействия были в принципе различными. Поэтому в итоге, вместе в одной сети использовать продукты различных фирм было просто невозможно.

С другой стороны в настоящее время для получения работоспособной сети вполне достаточно просто приобрести программные и аппаратные средства, относящиеся к одной базовой технологии - сетевые адаптеры с драйверами, концентраторы, коммутаторы, кабельную систему и т.п. А потом все это соединить вместе в соответствии с требованиями стандарта на данную технологию. Протоколы, на основе которых в наше время строят сети базовой технологии, специально уже заранее были разработаны для совместной работы, поэтому от разработчика сети не требуется дополнительных усилий по организации их взаимодействия.

Но построение одной крупной сети на основе одной базовой технологии - это большая редкость. В наше время обычным состоянием для любой вычислительной сети как средних, так и крупных размеров является сосуществование различных стандартов и базовых технологий. Но, при этом появление новых технологий, отнюдь не означает, что мгновенно исчезают старые, все-таки слишком много сил (и в основном финансовых) было затрачено на их развитие в свое время. Поэтому трудно предположить, что в будущем, какая-то одна, хотя бы и супер-технология, сможет вытеснить все существующие на данный момент сетевые технологии.

В общем, на данный момент неоднородность сетевых технологий возрастает в основном, только при необходимости объединения локальных и глобальных сетей. И хотя в последние годы и наметилась тенденция к сближению методов передачи данных, используемых в этих двух типах вычислительных сетей, но все-таки, остаются еще большие различия между ними. Поэтому в пределах одной корпоративной сети обычно используется большой набор разнообразных базовых топологий и задача объединения их всех в единую, прозрачную сеть, требует использования специальных методов и средств.

Очевидно, что в настоящее время проблемы использования в одной сети сетевых средств различных производителей уже не является такой острой проблемой. А стало это возможным, только благодаря созданию в свое время единой системы стандартизации. Именно этот шаг привел к тому, что сейчас разработчик сети не выдумывает свои средства взаимодействия различных сетевых технологий, он просто выбирает для каждой из используемых технологий, соответствующий стандарт и включает его в свою сеть.

Все выше сказанное было для того, чтобы обосновать проблему разработки единой, открытой системы стандартизации локальных сетей.

К созданию такой системы и приступил IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers). Как уже говорилось в IEEE в 1980 году был организован специальный комитет 802 по стандартизации локальных сетей.

Задача работы комитета свелась к выделению в разных фирменных технологиях общих подходов и общих функций, а также согласованию стилей их описания. Комитет 802 в результате работы принял целое семейство стандартов IEEE 802.х. Все это семейство стандартов содержат рекомендации по проектированию только нижних уровней локальных сетей - физического и канального.

Таким образом, изучение базовых сетевых технологий перерастает в задачу - изучение стандартов IEEE 802.х. Конечно, вопросами стандартизации занимался не только институт IEEE, в работе по стандартизации протоколов локальных сетей принимали участие и другие организации. Так, для сетей, работающих на оптоволоконных кабелях, американским институтом ANSI был разработан стандарт FDDI. Но в целом все вместе стандарты принимаются, согласовываются и проверяются именно в IEEE.

Стандарты семейства IEEE 802.X охватывают только два нижних уровня семиуровневой модели OSI - физический и канальный, определяя терминологию, архитектуру и протоколы. Т.к именно эти уровни модели OSI в наибольшей степени отражают всю специфику локальных сетей, они устанавливают, каким образом несколько компьютеров могут одновременно использовать сеть, чтобы при этом не мешать друг другу.

Давайте, еще раз определим задачи каждого из них при работе в локальных сетях. Физический уровень просто физически передает данные, которые представлены электрическими сигналами, по линиям связи. Канальный уровень сначала должен определить доступ к кабелю, а затем использовать свои соответствующие средства управления потоком данных, которые сгруппированы в определенную последовательность кадров, по этому кабелю. Таким образом, можно заметить, что вырисовывается некоторое разграничение обязанностей на одном уровне. Поэтому канальный уровень локальных сетей решили разделить на дополнительные два подуровня, которые часто называют также уровнями.

7.1.2 Подуровни канального уровня

Итак, канальный уровень (Data Link Layer) делится в локальных сетях на два подуровня, которые функционально построены также по принципам модели OSI - от нижнего к верхнему:

- Логической передачи данных (Logical Link Control, LLC);

- Управления доступом к среде (Media Access Control, MAC).

Рис. 7.1 Подуровни канального уровня

Поскольку среда передачи данных в локальной сети общая, то существует проблема обеспечения доступа к сети.

Доступом к сети называют взаимодействие станции (узла сети) со средой передачи данных для обмена информацией с другими станциями. Управление доступом к среде - это установление специальной последовательности, в которой станции получают доступ к среде передачи данных.

Именно эту задачу отвели уровню MAC. Этот уровень должен обеспечивать корректное совместное использование общей среды сети. В современных локальных сетях используются несколько протоколов уровня MAC, они реализуют различные алгоритмы доступа к разделяемой среде.

Более высокий уровень - уровень LLC логически организовывает поток данных, кадров информации, с целью дальнейшей их передачи с помощью средств нижнего - MAC уровня. Уровень LLC полностью отвечает за качество транспортировки, то есть степень надежности передачи кадров в локальной сети. С другой стороны, уровень LLC связан с сетевым уровнем, поэтому он служит в роли интерфейса между канальным и сетевым уровнем.

Именно через уровень LLC сетевой протокол запрашивает у канального уровня нужную ему транспортную операцию с нужным качеством. Уровень LLC имеет несколько режимов работы, каждый из этих режимов определяет различное качество передачи кадров, например, один режим может восстанавливать потерянные или искаженные кадры, другой не обеспечивает таких процедур при управлении потоком кадров в сети. Уровень LLC еще называют уровнем управления логическим каналом сети. Очевидно, что в перечень забот уровня LLC абсолютно не входит, будет ли передача происходить в сети с одной общей шиной, или с кольцевой структурой сети. Эти вопросы не касаются режимов его работы. Он просто организовывает передачу кадров информации с необходимым качеством и не зависит от выбора конкретной технологии.

Поэтому протоколы уровней MAC и LLC взаимно независимы - каждый протокол уровня MAC может применяться с любым протоколом уровня LLC, и наоборот.

Все это описано в соответствующих стандартах IEEE 802.х. Стандарты IEEE 802.х имеют определенную структуру. Комитет 802 поделили на несколько подкомитетов, каждому из них дали строго определенные задачи по разработке сетевых стандартов, которые в целом бы представляли единую систему стандартизации. И сейчас, с развитием новых сетевых технологий, продолжают организовываться новые подкомитеты. Стандарты локальных сетей, определенные комитетом 802, делятся на данное время на 17 категорий, каждая из которых имеет свой номер. Мы остановимся на основных пяти стандартах, названия стандартов созвучны с соответствующим комитетом, занимающегося его разработкой.

7.2 Структура стандартов IEEE 802.x.

IEEE-802 можно рассматривать как уточнение и развитие модели OSI.

802.1 – Internetworking Этот стандарт содержит введение в стандарты и описание примитивов: общие определения локальных сетей, их свойств. Он обособлен от остальных и имеет общий для всех технологий характер.

Наиболее практически важными являются стандарты 802.1, которые описывают взаимодействие между собой различных технологий, а также стандарты по построению более сложных сетей на основе базовых топологий. Сюда входят такие важные стандарты, как:

стандарт 802. ID, описывающий логику работы моста/коммутатора,

стандарт 802.1Н, определяющий работу транслирующего моста, который может без маршрутизатора объединять сети различных технологий.

Сегодня набор стандартов, разработанных подкомитетом 802.1, продолжает расти. Например, недавно он пополнился важным стандартом 802.1Q, определяющим способ построения виртуальных локальных сетей VLAN в сетях на основе коммутаторов.

Комитет 802.2 В стандарте 802.2 описаны все, что касается протокола уровня управления логическим каналом LLC.

Остальные стандарты 802.3, 802.4, 802.5 и т.д. описывают технологии локальных сетей, которые появились в результате улучшений фирменных технологий, которые легли в их основу. Для каждого из этих стандартов определены спецификации физического уровня, определяющие среду передачи данных (коаксиальный кабель, витая пара или оптоволоконный кабель), ее параметры, а также методы кодирования информации для передачи по данной среде.

Другими словами, комитеты 802.3 - 802.5 описывают спецификации различных протоколов подуровня доступа к среде MAC и их связь с уровнем LLC.

Так основные сетевые технологии Ethernet, Token Ring были разработаны и использовались еще до создания единой системы стандартов, затем они вошли в состав стандартов IEEE 802.х, и на их основе стали создавать новые, улучшенные технологии.

Так, основу стандарта 802.3 составила технология Ethernet, разработанная компаниями Digital, Intel и Xerox (или Ethernet DIX) .

Стандарт 802.4 появился как обобщение технологии ArcNet компании Datapoint Corporation

Стандарт 802.5 в основном соответствует технологии Token Ring компании IBM.

В общем, историческое развитие стандартов выглядело следующим образом:

После того, как фирменные технологии вошли в состав стандартов IEEE 802.х они продолжали параллельно существовать. Например, технология ArcNet так до конца не была приведена в соответствие со стандартом 802.4 (теперь это делать поздно, так как где-то примерно с 1993 года производство оборудования ArcNet было свернуто).

Расхождения между технологией Token Ring и стандартом 802.5 тоже периодически возникают, так как компания IBM регулярно вносит усовершенствования в свою технологию, а комитет 802.5 не всегда успевает это отражать в своем стандарте.

Единственное исключение - технология Ethernet. Последний фирменный стандарт Ethernet DIX как был принят в 1980 году, так с тех пор никто больше не предпринимал попыток фирменного развития Ethernet. Все изменения в семействе технологий Ethernet вносятся только в результате принятия открытых стандартов комитетом 802.3.

Поздние стандарты уже разрабатывались не одной компанией, а группой заинтересованных компаний, а потом передавались в соответствующий подкомитет IEEE 802 для утверждения. Так произошло с такими новыми технологиями, как Fast Ethernet, 100VG-AnyLAN, Gigabit Ethernet. Группа заинтересованных компаний образовывала сначала небольшое объединение, а затем по мере развития работ к нему присоединялись другие компании, так что процесс принятия стандарта носил открытый характер.

Итак, давайте, перечислим первые пять подкомитетов комитета 802:

802.1 - Internetworking; В 802.1 приводятся основные понятия и определения, общие характеристики и требования к локальным сетям.

802.2 - Logical Link Control, LLC В 802.2 определяется подуровень управления логическим каналом LLC.

802.3 - Ethernet с методом доступа CSMA/CD; Стандарт 802.3 описывает коллективный доступ с опознаванием несущей и обнаружением конфликтов (Carrier sense multiple access with collision detection - CSMA/CD), прототипом этого стандарта является метод доступа стандарта Ethernet;

802.4 - Token Bus LAN - локальные сети с методом доступа Token Bus;

Стандарт 802.4 определяет метод доступа к шине с передачей маркера (Token bus network), прототип фирменный стандарт ArcNet;

802.5 - Token Ring LAN - локальные сети с методом доступа Token Ring;

Стандарт 802.5 описывает метод доступа к кольцу с передачей маркера (Token ring network), прототип - фирменный стандарт Token Ring.

С остальными комитетами (до 17-го) мы подробно не будем знакомиться. Кратко заметим следующее:

IEEE-802.6 – городская локальная сеть (Metropolitan Area Network MAN). IEEE-802.7 – широковещательная технология

IEEE-802.8 – оптоволоконная технология

IEEE-802.9 – интегрированные сети с возможностью передачи речи и данных

IEEE-802.10 – безопасность сетей.

IEEE-802.11 – беспроводная сеть

IEEE-802.12 - высокоскоростные компьютерные сети (локальная сеть с централизованным управлением доступом по приоритетам запросов и топологией звезда 100VG-AnyLAN)

Стандарты IEEE-802.3, IEEE-802.4, IEEE-802.5, IEEE-802.12 – прямо относятся к подуровню MAC второго канального уровня эталонной модели OSI . Остальные спецификации решают общие вопросы.

7.3 Сети Ethernet и Fast Ethernet

7.3.1 Базовая сетевая технология Ethernet - краткий обзор возможностей

Наибольшее распространение среди стандартных сетей получила сеть Ethernet (1997 - 80% рынка), которая впервые появилась в 1972 (Xerox). В 1980 ее поддержали такие крупнейшие фирмы как DEC и Intel, образовав объединение DIX. В 1985 Ethernet стала международным стандартом – IEEE 802.3.

Характеристики стандарта:

- Топология - шина,

- Среда передачи – коаксиальный кабель,

- Скорость передачи – 10Мбит/с

- Максимальная длина – 5км

- Максимальное количество абонентов – 1024

- Длина сегмента сети – 500м

- Количество абонентов на одном сегменте – до 100

- Метод доступа - множественный доступ моноканалу типа «шина» с обнаружением конфликтов и контролем несущей (CSMA/CD),

- Передача узкополосная, т.е без модуляции (моноканал)

В классической сети Ethernet применяется 50-омный коаксиальный ка­бель двух видов (толстый и тонкий). Однако с начала 90-х годов все большее распространение получает версия Ethernet, ис­пользующая в качестве среды передачи витые пары. Определен также стандарт для применения в сети оптоволоконного кабеля. В стандарты были внесены соответствующие добавления.

В Ethernet кроме стандартной топологии «шина» применяются также топологии типа «пассивная звезда» и «пассивное дерево». При этом предполагается использование репитеров и пассивных (репитерных) концентраторов, со­единяющих между собой различные части (сегменты) сети (рис. 7.2). В ка­честве сегмента может выступать единичный абонент. Коаксиальный кабель используется для шинных сегментов, а витая пара и оптоволоконный кабель – для лучей пассивной звезды (для присоедине­ния к концентратору одиночных компьютеров).

Рис. 7.2. Топология сети Ethernet

Главное - чтобы в полу­ченной в результате топологии не было замкнутых путей (петель), фак­тически получается, что абоненты соединены в физическую шину, так как сигнал от каждого из них распространяется сразу во все стороны и не воз­вращается назад (как в кольце). Максимальная длина кабеля всей сети в целом (максимальный путь сигнала) теоретически может достигать 6,5 км, но практически не превышает 2,5км.

Для передачи информации в сети Ethernet применяется стандартный код Манчестер-11. При этом один уровень сигнала нулевой, а другой - отри­цательный, то есть постоянная составляющая сигнала не равна нулю. При отсутствии передачи потенциал в сети нулевой. Гальваническая развяз­ка осуществляется аппаратурой адаптеров, репитеров и концентраторов. При этом приемопередатчик сети гальванически развязан от остальной аппаратуры с помощью трансформаторов и изолированного источника питания, а с кабелем сети соединен напрямую.

Доступ к сети Ethernet осуществляется по случайному методу CSMA/ CD, обеспечивающему полное равноправие абонентов. В сети использу­ются пакеты переменной длины со структурой, представленной на рис. 7.3.

Длина кадра Ethernet (то есть пакета без преамбулы) должна быть не менее 512 битовых интервалов, или 51,2 мкс (именно такова предельная

величина двойного времени прохождения в сети). Предусмотрена инди­видуальная, групповая и широковещательная адресация.

В пакет Ethernet входят следующие поля:

- Преамбула состоит из 8 байт, первые семь из которых пред­ставляют собой код 10101010, а последний восьмой - код 10101011. В стандарте IEEE 802.3 этот последний байт на­зывается признаком начала кадра (SFD - Start of Frame Delimiter) и образует отдельное поле пакета.

- Адрес получателя (приемника) и адрес отправителя (пере­датчика) включают по 6 байт и представляют собой MAC-адреса.

- Поле управления (L/T - Length/Type) содержит информа­цию о длине поля данных. Оно может также определять тип используемого протокола. Принято считать, что если значе­ние этого поля не больше 1500, то оно определяет длину поля данных. Если же его значение больше 1500, то оно определя­ет тип кадра. Поле управления обрабатывается программно.

- Поле данных должно включать в себя от 46 до 1500 байт дан­ных. Если пакет должен содержать менее 46 байт данных, то поле данных дополняется байтами заполнения. Согласно стандарту IEEE 802.3, в структуре пакета выделяется спе­циальное поле заполнения (pad data - незначащие данные), которое может иметь нулевую длину, когда больше 46 байт.

- Поле контрольной суммы (FCS - Frame Check Sequence) содержит 32-разрядную циклическую контрольную сумму пакета (CRC) и служит для проверки правильности переда­чи пакета.

Рис. 7.3. Структура пакета сети Ethernet, (цифры показывают количество байт)

Таким образом, минимальная длина кадра (пакета без преамбулы) состав­ляет 64 байта (512бит). Именно эта величина определяет максимально допустимую двойную задержку распространения сигнала по сети в 512 битовых интервалов (51,2 мкс для Ethernet, 5,12 мкс для Fast Ethernet). Стандарт предполагает, что преамбула может уменьшаться при прохож­дении пакета через различные сетевые устройства, поэтому она не учи­тывается. Максимальная длина кадра равна 1518 байтам (12144 бита, то есть 1214,4 мкс для Ethernet, 121,44 мкс для Fast Ethernet). Это важно для выбора размера буферной памяти сетевого оборудования и для оценки общей загруженности сети.

Для сети Ethernet, работающей на скорости 10 Мбит/с, стандарт опреде­ляет четыре основных типа среды передачи информации:

- 10BASE5 (толстый коаксиальный кабель);

- 10 BASE2 (тонкий коаксиальный кабель);

- 10BASE-T (витая пара);

- 10BASE-FL (оптоволоконный кабель).

Обозначение среды передачи включает в себя три элемента: цифра «10» означает скорость передачи 10 Мбит/с, слово BASE означает передачу в основной полосе частот (то есть без модуляции высокочастотного сигна­ла), а последний элемент означает допустимую длину сегмента: «5» - 500 метров, «2» - 200 метров (точнее, 185 метров) или тип линии связи: «Т» -витая пара (от английского «twisted-pair»), «F» - оптоволоконный кабель (от английского «fiber optic»). Более подробно эти сведения можно получить из лабораторных работ по курсу.

7.3.2 Преемственность стандарта 802.3 и стандартов 802.3u и 802.12

В 1995 году появился стан­дарт на более быструю версию Ethernet, работающую на скорости 100 Мбит/с (так называемый Fast Ethernet, стандарт 1ЕЕЕ 802.3u), использу­ющую в качестве среды передачи витую пару или оптоволоконный ка­бель. Появилась версия на скорость 1000 Мбит/с (Gigabit Ethernet, стан­дарт IEEE 802.3z). Поговорим немного о причинах перехода на Fast Ethernet.

К началу 90-х годов пропускной способности сети - 10 Мбит/с уже было недостаточно для некоторых потребностей пользователей. В этот период особенно интенсивными темпами стали развиваться компьютерные технологии в целом. Стали широко распространяться новые, более мощные компьютеры с новой, более скоростной шиной передачи данных, а также более мощное и усовершенствованное сетевое оборудование. Так, в середине 90-х появились, и сразу стали массово применятся в локальных сетях, - коммутаторы. Коммутаторы имеют большое количество портов и обеспечивают передачу кадров между портами одновременно, что само собой предусматривает существенное повышение производительности сети. В это же время уже появились первые экспериментальные сети, в которых использовался протокол Ethernet с более высокой битовой скоростью передачи данных, а именно 100 Мб/с. Надо сказать, что до этого только технология Fiber Distributed Data Interface (FDDI), которая использует оптоволоконную среду передачи данных, обеспечивала такую битовую скорость. Но тот момент она была специально разработана для построения магистралей сетей и была слишком дорогой для подключения к сети отдельных рабочих станций или серверов.

Таким образом, назрела необходимость в разработке "нового" Ethernet, то есть технологии, которая была бы такой же простой и эффективной по соотношению цена/качество, но обладала бы производительностью не менее, чем на порядок выше, а именно - 100 Мбит/с.

Этой задачей серьезно заинтересовались многие ведущие лидеры среди производителей сетевых технологий. В результате поисков и исследований на пути к решению задачи, специалисты разделились на два лагеря, что, в конечном итоге привело к появлению двух новых технологий - Fast Ethernet и 100VG-AnyLAN.

Эти две технологии отличаются степенью преемственности с классическим Ethernet. Fast Ethernet оставила самую основу работы технологии Ethernet - метод доступа CSMA/CD, а 100VG-AnyLAN отказалась от него. Но, давайте рассмотрим все по порядку.

В 1992 году группа производителей сетевого оборудования, включая таких лидеров технологии Ethernet, как SynOptics, 3Com и ряд других, образовали некоммерческое объединение Fast Ethernet Alliance для разработки стандарта новой технологии, которая должна была в максимально возможной степени сохранить особенности технологии Ethernet.

Второй лагерь возглавили компании Hewlett-PackardиAT&T, которые предложили воспользоваться удобным случаем для устранения некоторых известных недостатков технологии Ethernet.

В комитете 802 института IEEE в это же время была сформирована отдельная исследовательская группа для изучения потенциала новых высокоскоростных технологий. За период с конца 1992 года и по конец 1993 года группа IEEE провела серьезную работу над изучением всех 100-мегабитных решений, которые были предложены различными производителями. Группа IEEE 802 наряду с предложениями Fast Ethernet Alliance рассмотрела также и высокоскоростную технологию, предложенную компаниями Hewlett-Packard и AT&T.

В центре дискуссий была проблема сохранения случайного метода доступа CSMA/CD в новой технологии.

Название CSMA/CD можно разбить на две части:

- Carrier Sense Multiple Access

- Collision Detection.

Из первой части имени можно заключить, каким образом узел с сетевым адаптером определяет момент, когда ему следует послать сообщение. В соответствии с методом CSMA, станция вначале "слушает" сеть, чтобы определить, не передается ли в данный момент какое-либо другое сообщение. Если прослушивается несущий сигнал (carrier tone), значит, в данный момент сеть занята другим сообщением, - станция переходит в режим ожидания и пребывает в нем, пока сеть не освободится. Когда в сети наступает молчание, станция начинает передачу. Фактически данные посылаются всем станциям сети или сегмента, но принимаются только той станцией, которому они адресованы.

Collision Detection - вторая часть имени - служит для разрешения ситуаций, когда две или более станции пытаются передавать сообщения одновременно. Согласно методу CSMA, каждый готовая к передаче станция должна вначале слушать сеть, чтобы определить, свободна ли она. Однако, если две станции "слушают сеть" в одно и тоже время, и в какой-то момент времени обе решат, что сеть свободна, то они начнут передавать свои кадры одновременно. В этой ситуации передаваемые кадры накладываются друг на друга - происходит коллизия, и в итоге ни один кадр не доходит до пункта назначения. Для надежного определения коллизий нужно, чтобы станция "наблюдала сеть" и после передачи кадра. Если обнаруживается коллизия, то станция повторяет передачу после случайной паузы и вновь проверяет, не произошла ли коллизия, и только после 16-й неудачной попытки передачи кадра в сеть он отбрасывается. Метод CSMA/CD "притягивает" разработчиков своей простотой реализации, но одновременно и предполагает разработку дополнительных средств, которые смогли бы исправить его недостатки, связанные с влиянием задержек распространения сигнала.

Сетевая технология, предложенная Fast Ethernet Alliance, сохранила метод CSMA/CD, и тем самым обеспечила согласованность сетей со скоростями 10 Мбит/с и 100 Мбит/с.

Коалиция HP и AT&T, которая имела поддержку значительно меньшего числа производителей в сетевой индустрии, чем Fast Ethernet Alliance, предложила совершенно новый метод доступа, названный Demand Priority - приоритетный доступ по требованию. Он существенно менял картину поведения узлов в сети, поэтому не смог вписаться в технологию Ethernet и стандарт 802.3, поэтому для его стандартизации был организован новый комитет IEEE 802.12.

Осенью 1995 года обе технологии стали стандартами IEEE. Комитет IEEE 802.3 принял спецификацию Fast Ethernet в качестве стандарта 802.3u, который не является самостоятельным стандартом, а представляет собой дополнение к существующему стандарту 802.3 в виде глав с 21 по 30.

А комитет 802.12 в это же время принял новую технологию 100VG-AnyLAN, которая использует новый метод доступа Demand Priority. О ней мы поговорим несколько позже. А в этом разделе мы займемся изучением того, что же нового принесла технология Fast Ethernet

7.3.3 Технология Fast Ethernet

Главным коммерческим аргументом технологии Fast Ethernet стало то, что она базируется на наследуемой технологии Ethernet:

1. Так как в Fast Ethernet используется тот же метод передачи пакетов и кабельные системы совместимы, то для перехода к стандарту Fast Ethernet от стандарта Ethernet требуются меньшие капитальные вложения, чем для установки других видов высокоскоростных сетей.

2. Поскольку Fast Ethernet представляет собой продолжение стандарта Ethernet, все инструментальные средства и процедуры анализа работы сети, а также все программное обеспечение должны в данном стандарте сохранить работоспособность, следовательно, среда Fast Ethernet будет знакома администраторам сетей, имеющим опыт работы с Ethernet, а значит, обучение персонала займет меньше времени и обойдется существенно дешевле.

3. Решение оставить метод CSMA/CD без изменения принесло наибольшую практическую пользу новой технологии среды Fast Ethernet.

Итак, новая технология Fast Ethernet сохранила весь MAC уровень классического Ethernet, но пропускная способность была повышена до 100 Мбит/с., следовательно, поскольку пропускная способность увеличилась в 10 раз, то битовый интервал уменьшился в 10 раз, и стал теперь равен 0,01 мкс.

Поэтому в технологии Fast Ethernet время передачи кадра минимальной длины в битовых интервалах осталось тем же, но равным 5,75 мкс.

Ограничение на общую длину сети Fast Ethernet уменьшилось до 200 метров.

Использование коммутаторов, которые передают данные по нескольким портам одновременно и тем самым сокращают общую длину сети, сняло ограничения на общую длину сети, остались только ограничения на длину физических сегментов, соединяющих соседние устройства (сетевой адаптер - коммутатор или коммутатор - коммутатор). Поэтому при создании магистралей локальных сетей большой протяженности технология Fast Ethernet также активно, применяется, но только совместно с коммутаторами.

Увеличения пропускной способности при неизменном методе доступа в Fast Ethernet удалось достигнуть за счет усовершенствования средств физического уровня. Рассмотрим физический уровень технологии Fast Ethernet

Физический уровень технологии Fast Ethernet

Все отличия технологии Fast Ethernet от Ethernet сосредоточены на физическом уровне. Уровни MAC и LLC в Fast Ethernet остались абсолютно теми же, и их описывают прежние главы стандартов 802.3 и 802.2.

Технология Fast Ethernet использует три варианта кабельных систем:

- волоконно-оптический многомодовый кабель, используются два волокна;

- витая пара категории 5, используются две пары;

- витая пара категории 3, используются четыре пары.

Коаксиальный кабель, давший миру первую сеть Ethernet, в этот перечень вообще не попал. От коаксиальных кабелей стремятся избавиться все новые технологии. Поскольку на небольших расстояниях, витая пара категории 5 позволяет передавать данные с той же скоростью, что и коаксиальный кабель, а сеть при этом получается более дешевой и удобной в эксплуатации. На больших же расстояниях применяют оптическое волокно, которое обладает гораздо более широкой полосой пропускания, чем коаксиал, а стоимость сети получается ненамного выше, особенно если учесть высокие затраты на поиск и устранение неисправностей в крупной кабельной коаксиальной системе.

Сети Fast Ethernet всегда имеют иерархическую древовидную структуру, построенную на концентраторах, как и сети стандартов 10Base-T и 10Base-F, которые мы рассматривали в предыдущем разделе.

Таким образом, официальный стандарт 802.3u установил три различных спецификации для физического уровня Fast Ethernet и дал им следующие названия:

- 100Base-TX - для двухпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP категории 5 или экранированной витой паре STP Type 1;

- 100Base-T4 - для четырехпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP категории 3, 4 или 5;

- 100Base-FX- для многомодового оптоволоконного кабеля, используются два волокна.

По сравнению с вариантами физической реализации Ethernet (10Base-5, 10Base-2, 10Base-T, 10Base-F), в технологии Fast Ethernet отличия одного варианта от другого намного глубже. Различные физические спецификации имеют различное количество проводников и различные методы кодирования.

Для всех трех стандартов Fast Ethernet справедливы следующие характеристики:

форматы кадров технологии Fast Ethernet практически не отличаются от форматов кадров технологий 10-мегабитного Ethernet.

межкадровый интервал (IPG) равен 0,96 мкс, а битовый интервал равен 10 нс, соответственно время передачи кадра минимальной длины равно 5,75 мкс. Все временные параметры алгоритма доступа (интервал отсрочки, время передачи кадра минимальной длины и т. п.) в битовых интервалах, остались прежними.

признаком свободного состояния среды является передача по ней последовательности символов - Idle, а не отсутствие сигналов, как в стандартах Ethernet 10 Мбит/с.

Для сравнения следующий рисунок показывает общее отличие кадров Fast Ethernet от кадров 10-мегабитного Ethernet.

Рис. 7.4 Форматы кадров Fast Ethernet и Ethernet

Рассмотрим физические спецификации, которые предложила технология Fast Ethernet.

1. 100Base-FX - многомодовое оптоволокно, два волокна

Эта спецификация определяет работу протокола Fast Ethernet по многомодовому оптоволокну. Каждый узел соединяется с сетью двумя оптическими волокнами, идущими от приемника (Rх) и от передатчика (Тх).

Следует сразу отметить, что между спецификациями 100Base-FXи100Base-TX есть много общего, поэтому общие для этих двух спецификаций свойства мы будем рассматривать под обобщенным названием 100Base-FX/TX.

Все стандарты физического уровня Ethernet со скоростью передачи 10 Мбит/с для представления данных при передаче по кабелю используют манчестерское кодирование. В стандарте Fast Ethernet в спецификации 100Base-FX/TX используется другой метод - кодирование избыточными кодами - 4В/5В.

Вспомним некоторые особенности 4В/5В. При этом методе каждые 4 бита данных подуровня MAC (называемых символами) представляются 5 битами. Избыточный бит позволяет потом применить потенциальные коды при представлении каждого из пяти бит в виде электрических или оптических импульсов для непосредственной передачи по кабелю. Потенциальные коды по сравнению с манчестерскими кодами имеют более узкий спектр сигнала, а, следовательно, предъявляют меньшие требования к полосе пропускания кабеля. Но использовать "чистые" потенциальные коды для передачи данных невозможно использовать из-за плохой самосинхронизации приемника и источника данных: при передаче длинной последовательности единиц или нулей в течение долгого времени сигнал не изменяется и приемник не может определить момент чтения очередного бита. Применение избыточного кода решает проблему длительной последовательности нулей.

При использовании пяти бит для кодирования шестнадцати исходных 4-х битовых комбинаций, можно построить такую таблицу кодирования, в которой любой исходный 4-х битовый код представляется 5-ти битовым кодом с чередующимися нулями и единицами. Тем самым обеспечивается синхронизация приемника с передатчиком.

Так как из 32 возможных комбинаций 5-битовых порций для кодирования порций исходных данных нужно только 16, то остальные 16 комбинаций в коде 4В/5B используются в служебных целях.

Наличие служебных символов позволило использовать в спецификациях FX/TX схему непрерывного обмена сигналами между передатчиком и приемником и при свободном состоянии среды. И если в сетях Ethernet незанятое состояние среды означало полное отсутствие на ней импульсов информации. То для Fast Ethernet для обозначения незанятого состояния среды используется служебный символ Idle (11111), которыми постоянно обмениваются передатчик с приемником. Этот специфический символ (запрещенная комбинация) поддерживает синхронизм передатчика и приемника в периодах между передачами информации, а также позволяет контролировать общее физическое состояние линии.

Рис. 7.5 Обмен служебными символами Idle

Существование запрещенных комбинаций символов позволяет отбраковывать ошибочные символы, и это существенно повышает устойчивость работы сетей с 100Base-FX/TX уже на самом низком - физическом уровне, а значит, приводит к увеличению эффективности сети в целом.

Для отделения кадра Ethernet от символов Idle используется комбинация символов Start Delimiter (пара символов J (11000) и К (10001) кода 4В/5В, а после завершения кадра перед первым символом Idle вставляется символ Т. Надо отметить, что коды 4В/5В построены так, что гарантируют не более трех нулей подряд при любом сочетании бит в исходной информации, поэтому длительные последовательности нулей здесь исключены.

Рис. 7.5 Структура кадра для спецификаций 100Base-FX/TX.

Однако по кабелю все-таки передаются электрические сигналы, а не биты информации. Поэтому, после преобразования 4-битовых порций кодов MAC в 5-битовые порции физического уровня, когда решилась проблема синхронизации приемника и передатчика при передаче кадров, их теперь нужно представить в виде оптических или электрических сигналов в кабеле, соединяющем узлы сети. Тут спецификации 100Base-FX и 100Base-TX расходятся в методах. И используют для этого различные методы физического кодирования - NRZI и MLT-3 соответственно.

Вспомним, что NRZI - это код без возврата к нулю с инвертированием для единиц. Но он в отличие от NRZ, для представления 1 и 0 использует дифференциальное кодирование: если текущий бит имеет значение 1, то текущий потенциал представляет собой инверсию потенциала предыдущего бита, независимо от его значения, если же текущий бит имеет значение 0, то текущий потенциал повторяет предыдущий. Этот метод поборол проблему длинных последовательностей единиц, которая была в NRZ, но оставил проблему длинных последовательностей нулей. Но эти последовательности в спецификации 100Base-FX, как и в 100Base-ТX предварительно устраняются кодированием 4B/5B.

Метод MLT3 еще более быстрый, по сравнению с методом NRZI, хотя и использует три уровня и он используется спецификации 100Base-ТX.

2. 100Base-TX - витая пара UTP Cat 5 или STP Type 1, две пары

В качестве среды передачи данных спецификация 100Base-TX использует неэкранированную витую витую пару UTP категории 5 или экранированную витую пару STP Type 1. Максимальная длина кабеля в обоих случаях - 100 м.

Самая отличительная возможность физического стандарта 100Base-TX - наличие специальной функции автопереговоров (Auto-negotiation). Она предназначена для согласованной работы Fast Ethernet со стандартами Ethernet. Схема автопереговоров позволяет двум соединенным физически устройствам, которые поддерживают несколько стандартов физического уровня, отличающихся битовой скоростью и количеством витых пар, выбрать наиболее выгодный режим работы. Обычно процедура автопереговоров происходит при подсоединении сетевого адаптера, который может работать на скоростях 10 и 100 Мбит/с, к концентратору или коммутатору. Схема Auto-negotiation сегодня является стандартом и технологии 100Base-T. До этого производители применяли различные собственные схемы автоматического определения скорости работы взаимодействующих портов, которые не были совместимы.

Принятую в качестве стандарта схему Auto-negotiation предложила первоначально компания National Semiconductor под названием NWay.

Всего в настоящее время определено 5 различных режимов работы, которые могут поддерживать устройства стандарта 100Base-TX или 100Base-T4 на витых парах:

- 10Base-T - работа с 2-мя парами категории 3;

- 10Base-T full duplex - работа с 2-мя парами категории 3 в полнодуплексном режиме

- 100Base-TX - используются 2 витые пары категории 5 (или Type 1A STP);

- 100Base-T4 - используются 4 витые пары категории 3;

- 100Base-TX full-duplex – работа с 2-мя витыми парами категории 5 (или Type 1A STP) в полнодуплексном режиме.

Режим 10Base-T имеет самый низкий приоритет при переговорном процессе, а полнодуплексный режим 100Base-T4 - самый высокий.

Переговорный процесс начинается, как только устройство (сетевой адаптер, концентратор, коммутатор) включается в сеть питания. Устройство, начавшее процесс auto-negotiation, посылает своему партнеру пачку специальных импульсов Fast Link Pulse burst (FLP). Эти импульсы содержат 8-битное слово, которое определяет, в каком режиме нужно установить взаимодействие. Если узел-партнер поддерживает функцию auto-negotuiation и также может поддерживать предложенный режим, он отвечает также пачкой импульсов FLP, в которой подтверждает данный режим, и на этом переговоры заканчиваются. Но, если же узел-партнер может поддерживать менее приоритетный режим, то он указывает его в ответе, и этот режим выбирается в качестве рабочего. Таким образом, всегда выбирается наиболее приоритетный общий режим узлов.

3. 100Base-T4 - витая пара UTP Cat 3, четыре пары

Спецификация 100Base-T4 появилась позже всех других спецификаций физического уровня Fast Ethernet. Спецификация 100Base-T4 была разработана для того, чтобы можно было использовать уже имеющуюся проводку на витой паре категории 3. Общую пропускную способность эта спецификация позволяет повысить за счет одновременной передачи потоков бит по всем 4 парам кабеля. Вместо кодирования 4В/5В в этом методе используется кодирование 8В/6Т, которое обладает более узким спектром сигнала и при скорости 33 Мбит/с укладывается в полосу 16 МГц витой пары категории 3 (при кодировании 4В/5В спектр сигнала в эту полосу не укладывается).

При методе кодирования 8В/6Т каждые 8 бит данных уровня MAC кодируются 6-ю троичными цифрами, то есть цифрами, имеющими три состояния. Каждая такая троичная цифра имеет длительность 40 нс. Группа из 6-ти троичных цифр затем передается на одну из трех передающих витых пар, независимо и последовательно. Четвертая пара всегда используется для прослушивания несущей частоты в целях обнаружения коллизии.

Скорость передачи данных по каждой из трех передающих пар равна 33,3 Мбит/с,поэтому общая скорость протокола 100Base-T4 составляет 100 Мбит/с.На рисунке 7.6 приведен пример подключения устройств по стандарту 100Base-T4. Пара 1-2 всегда требуется для передачи данных от порта адаптера к порту концентратора, пара 3-6 -для приема данных портом адаптера от порта концентратора, а пары 4-5 и 7-8 являются двунаправленными и используются как для приема, так и для передачи, в зависимости от потребности.

В заключение следует заметить, что сеть Ethernet благодаря мощной поддержке, высочайшему уровню стандартизации, огромным объемам выпуска технических средств резко выделяется сре­ди других стандартных сетей, и поэтому любую другую сетевую техно­логию принято сравнивать именно с Ethernet.

Рис. 7.6 Подключение сетевого адаптера к концентратору по 100Base-T4

7.4. Технология Gigabit Ethernet (802.3z)

Через непродолжительное время после появления на рынке продуктов Fast Ethernet сетевые администраторы почувствовали определенные ограничения при построении корпоративных сетей. Во многих случаях серверы, подключенные по 100-мегабитному каналу, сильно перегружали магистрали сетей, работающие также на скорости 100 Мбит/с - магистрали FDDI и Fast Ethernet. Стала ощущаться потребность в следующем уровне иерархии скоростей. В 1995 году более высокий уровень скорости могли предоставить только коммутаторы технологии АТМ, но она на то время еще не использовалась в локальных сетях, в частности из-за своей очень высокой стоимости. Поэтому июне 1995 года (через 5 месяцев после окончательного принятия стандарта Fast Ethernet) исследовательской группе по изучению высокоскоростных технологий IEEE было предписано заняться рассмотрением возможности разработки стандарта Ethernet с еще более высокой битовой скоростью. Летом 1996 года было объявлено о создании группы 802.3z для разработки протокола Gigabit Ethernet, максимально подобного Ethernet, но с битовой скоростью 1000 Мбит/с.

Для работы над согласованиями усилий в Gigabit Ethernet Alliance с самого начала вошли такие лидеры сетевых разработок, как Bay Networks,Cisco Systems и 3Com. Всего за год своего существования количество участников Gigabit Ethernet Alliance существенно выросло и стало насчитывать более 100.

Первая версия стандарта Gigabit Ethernet была рассмотрена в январе 1997 года, а окончательно стандарт 802.3z был принят 29 июня 1998 года на заседании комитета IEEE 802.3.Работы по реализации Gigabit Ethernet на витой паре категории 5 были переданы специальному комитету 802.Заb, который окончательно принял стандарт 802.3ab в сентябре 1999 года.

Еще не дожидаясь принятия стандарта, 802.3z некоторые компании выпустили первое оборудование Gigabit Ethernet на оптоволоконном кабеле уже к лету 1997 года.

Как и при разработке стандарта Fast Ethernet, перед разработчиками стандарта Gigabit Ethernet была поставлена задача максимально сохранить простоту идей классической технологии Ethernet, но при этом достигнуть битовой скорости в 1000 Мбит/с.И нужно сразу отметить, что здесь пришлось принимать более кардинальные меры, чем просто изменение физической среды, как было у 100-мегабитного стандарта Fast Ethernet.

Такой огромный запас пропускной способности сети, предполагал большие перспективы по сокращению проблем, которые были сильно выражены в сетях Ethernet.

Разработчики технологии решили, что нижний уровень просто должен быстро передавать данные, а более сложные и более редко встречающиеся задачи (например, приоритезация трафика) должны передаваться верхним уровням.

Технология Gigabit Ethernet имеет много общего с технологиями Ethernet и Fast Ethernet:

- сохраняются все форматы кадров Ethernet.

- сохраняется метод доступа CSMA/CD.

- поддерживаются все основные виды кабелей, используемых в Ethernet и Fast Ethernet: волоконно-оптический, витая пара категории 5, а также коаксиальный.

Однако разработчики технологии Gigabit Ethernet внесли изменения не только в физический уровень, как это было в случае Fast Ethernet, но и в MAC уровень.

Перед разработчиками стандарта Gigabit Ethernet стояло несколько трудно разрешимых проблем:

1. Задача обеспечения нормального диаметра сети. Для выполнения критерия надежного распознавания коллизий в сетях Gigabit Ethernet с пропускной способностью 1000 Мб/с, а, следовательно битовым интервалом 100 нс, необходимое ограничение на длину кабеля, для разделяемой среды составит всего 25 м при сохранении размера кадров и всех параметров метода CSMA/CD неизменными. Необходимым же диаметром сети считается 200 м.

2. Задача достижения битовой скорости 1000 Мбит/с на основных типах кабелей. Даже для оптоволоконного кабеля достижение такой скорости представляет некоторые проблемы, т. к. технология Fibre Channel, физический уровень которой был взят за основу для оптоволоконной версии Gigabit Ethernet, обеспечивает скорость передачи данных всего в 800 Мбит/с. Битовая скорость этой технологии на линии хоть и равна примерно 1000 Мбит/с, но при методе кодирования 8В/10В, который она использует, полезная битовая скорость на 25 % меньше скорости импульсов на линии.

3. Задача поддержки кабеля на витой паре. Эта задача на первый взгляд кажется неразрешимой - ведь даже для 100-мегабитных протоколов пришлось использовать достаточно сложные методы кодирования, чтобы уложить спектр сигнала в полосу пропускания кабеля. Для решения именно этой задачи был создан отдельный комитет 802.3ab, который занимается разработкой стандарта Gigabit Ethernet на витой паре категории 5.

Рассмотрим, какие изменения в технологии Gigabit Ethernet претерпел MAC уровень Ethernet.

Для расширения максимального диаметра сети до 200 м был увеличен минимальный размер кадра (без учета преамбулы) с 64 до 512 байт или до 4096 bt. Соответственно, время двойного оборота теперь также можно было увеличить до 4095 bt, что делает допустимым диаметр сети около 200 м при использовании одного повторителя.

Давайте попытаемся рассчитать для оптоволоконной конфигурации сети необходимое значение PDV. Итак, при двойной задержке сигнала в 10bt/м оптоволоконные кабели длиной 100 м вносят вклад во время двойного оборота по 1000 bt (это справочные данные). Если повторитель и сетевые адаптеры будут вносить такие же задержки, как в технологии Fast Ethernet (данные для которых приводятся в лабораторных работах), то задержка повторителя в 1000 bt и пары сетевых адаптеров в 1000 bt дадут в сумме время двойного оборота 4000 bt, что меньше 4096 bt.

Для увеличения длины кадра до требуемой в новой технологии величины сетевой адаптер должен дополнить поле данных до длины 448 байт так называемым расширением (extention). Как мы уже отмечали, оптоволоконный Gigabit Ethernet использует метод кодирования 8В/10В. Поэтому расширение поля данных, осуществили за счет заполнения его запрещенными символами кода 8В/10В, которые невозможно принять за коды данных. Для сокращения накладных расходов при использовании слишком длинных кадров для передачи коротких квитанций разработчики стандарта разрешили конечным узлам передавать несколько кадров подряд, без передачи среды другим станциям.

Такой режим получил название Burst Mode - монопольный пакетный режим.

Станция может передать подряд несколько кадров с общей длиной не более 65 536 бит или 8192 байт. Если станции нужно передать несколько небольших кадров, то она может не дополнять их до размера в 512 байт, а передавать подряд до исчерпания предела в 8192 байт (в этот предел входят все байты кадра, в том числе преамбула, заголовок, данные и контрольная сумма). Предел 8192 байт называется BurstLength. Если станция начала передавать кадр, и предел BurstLength был достигнут в середине кадра, то кадр разрешается передать до конца.

Увеличение "совмещенного" кадра до 8192 байт несколько задерживает доступ к разделяемой среде других станций, но при скорости 1000 Мбит/с эта задержка не столь существенна.

В стандарте 802.3z определены следующие типы физической среды:

- одномодовый волоконно-оптический кабель;

- многомодовый волоконно-оптический кабель 62,5/125 (62,5мкм-диаметр центрального проводника, 125-диаметр внешнего проводника;

- многомодовый волоконно-оптический кабель 50/125;

- двойной коаксиал с волновым сопротивлением 75 Ом.

Gigabit Ethernet на оптоволокне.

Многомодовый кабель Для передачи данных по традиционному для компьютерных сетей многомодовому волоконно-оптическому кабелю стандарт определяет применение излучателей (светодиодов), работающих на двух длинах волн: 1300 и 850 нм. Применение светодиодов с длиной волны 850 нм объясняется тем, что они намного дешевле, чем светодиоды, работающие на волне 1300 нм, хотя при этом максимальная длина кабеля уменьшается, так как затухание многомодового оптоволокна на волне 850 м более чем в два раза выше, чем на волне 1300 нм. Для многомодового оптоволокна стандарт 802.3z определил спецификации 1000Base-SX и 1000Base-LX.

1000Base-SX использует многомодовое оптоволокно с длиной волны 850 нм (S означает Short Wavelength, короткая волна)

1000Base-LX - с длиной волны - 1300 нм (L - от Long Wavelength, длинная волна).

Для спецификации 1000Base-SX предельная длина оптоволоконного сегмента для кабеля 62,5/125 оставляет 220 м, а для кабеля 50/125 - 500 м.

Приведенные расстояния в 220 и 500 м рассчитаны для худшего по стандарту случая полосы пропускания многомодового кабеля, находящегося в пределах от 160 до 500 МГц/км. Реальные кабели обычно обладают значительно лучшими характеристиками, находящимися между 600 и 1000 МГц/км. В этом случае можно увеличить длину кабеля до примерно 800 м.

Одномодовый кабель Для спецификации 1000Base-LX в качестве источника излучения всегда применяется полупроводниковый лазер с длиной волны 1300 нм. Максимальная длина кабеля для одномодового волокна равна 5000 м.

Спецификация 1000Base-LX может работать и на многомодовом кабеле. В этом случае предельное расстояние получается небольшим - 550 м. Это связано с особенностями распространения когерентного света в широком канале многомодового кабеля.

Для присоединения лазерного трансивера к многомодовому кабелю необходимо использовать специальный адаптер.

Gigabit Ethernet на витой паре категории 5

Как нам известно, каждая пара кабеля категории 5 имеет гарантированную полосу пропускания до 100 МГц. Для передачи по такому кабелю данных со скоростью 1000 Мбит/с было решено организовать параллельную передачу одновременно по всем 4 парам кабеля

Это сразу уменьшило скорость передачи данных по каждой паре до 250 Мбит/с. Однако и для такой скорости необходимо было придумать метод кодирования, который имел бы спектр не выше 100 МГц. Кроме того, одновременное использование четырех пар на первый взгляд лишает сеть возможность распознавать коллизии. На оба эти возражения в стандарте 802.Заb найдены ответы.

Для кодирования данных был применен код РАМ5, использующий 5 уровней потенциала: -2, -1,0, +1, +2. Таким образом, за один такт по одной паре передается 2,322 бит информации. Следовательно, тактовую частоту вместо 250 МГц можно снизить до 125 МГц. При этом если использовать не все коды, а передавать 8 бит за такт (по 4 парам), то выдерживается требуемая скорость передачи в 1000 Мбит/с. При этом еще и остается запас неиспользуемых кодов. Код РАМ5 содержит 5⁴ = 625 комбинаций, а если передавать за один такт по всем четырем парам 8 бит данных, то для этого требуется всего 2⁸ = 256 комбинаций. Оставшиеся комбинации приемник может использовать для контроля принимаемой информации и выделения правильных комбинаций на фоне шума. Код РАМ5 на тактовой частоте 125 МГц укладывается в полосу 100 МГц кабеля категории 5.

Для распознавания коллизий разработчики спецификации 802.3аb применили технику, используемую в современных модемах. Вместо передачи по разным парам проводов или разнесения сигналов двух одновременно работающих навстречу передатчиков по диапазону частот оба передатчика работают навстречу друг другу по каждой из 4-х пар в одном и том же диапазоне частот, так как используют один и тот же потенциальный код РАМ5. Схема гибридной развязки позволяет приемнику и передатчику одного и того же узла использовать одновременно витую пару и для приема и для передачи (так же, как и в трансиверах коаксиального Ethernet).

Для отделения принимаемого сигнала от своего собственного приемник вычитает из результирующего сигнала известный ему свой сигнал.

Естественно, что это не простая операция и для ее выполнения используются специальные цифровые сигнальные процессоры - DSP (Digital Signal Processor). Такая техника уже прошла проверку практикой, но в мо