Fast Ethernet

Ethernet, не смотря на весь его успех, никогда не был элегантным. Сетевые платы имеют только рудиментарные понятие об интеллекте. Они действительно сначала посылают пакет, а только затем смотрят, передавал ли данные кто-либо еще одновременно с ними. Кто-то сравнил Ethernet с обществом, в котором люди могут общаться друг с другом, только когда все кричат одновременно.

Как и его предшественник, Fast Ethernet использует метод передачи данных CSMACD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection - Множественныый доступ к среде с контролем несущей и обнаружением коллизий). За этим длинным и непонятным акронимом скрывается очень простая технология. Когда плата Ethernet должна послать сообщение, то сначала она ждет наступления тишины, затем отправляет пакет и одновременно слушает, не послал ли кто-нибудь сообщение одновременно с ним. Если это произошло, то оба пакета не доходят до адресата. Если коллизии не было, а плата должна продолжать передавать данные, она все равно ждет несколько микросекунд, прежде чем снова попытается послать новую порцию. Это сделано для того, чтобы другие платы также могли работать и никто не смог захватить канал монопольно. В случае коллизии, оба устройства замолкают на небольшой промежуток времени, сгенерированный случайным образом, а затем предпринимают новую попытку передать данные.

Из-за коллизий ни Ethernet, ни Fast Ethernet никогда не смогут достичь своей максимальной производительности 10 или 100 Мбит/с. Как только начинает увеличиваться трафик сети, временные задержки между посылками отдельных пакетов сокращаются, а количество коллизий увеличивается. Реальная производительность Ethernet не может превышать 70% его потенциальной пропускной способности, и может еще ниже, если линия серьезно перегружена.

Ethernet использует размер пакета 1516 байт, который прекрасно подходил, когда он только создавался. Сегодня это считается недостатком, когда Ethernet используется для взаимодействия серверов, поскольку серверы и линии связи имеют обыкновение обмениваться большим количеством маленьких пакетов, что перегружает сеть. Кроме того, Fast Ethernet налагает ограничение на расстояние между подключаемыми устройствами – не более 100 метров и это заставляет проявлять дополнительную осторожность при проектировании таких сетей.

Сначала Ethernet был спроектирован на основе шинной топологии, когда все устройства подключались к общему кабелю, тонкому или толстому. Применение витой пары лишь частично изменило протокол. При использовании коаксиального кабеля коллизия определялась сразу всеми станциями. В случае с витой парой используется "jam" сигнал, как только станция определяет коллизию, то она посылает сигнал концентратору, последний в свою очередь рассылает "jam" всем подключенным к нему устройствам.

Для того чтобы снизить перегрузку, сети стандарта Ethernet разбиваются на сегменты, которые объединяются с помощью мостов и маршрутизаторов. Это позволяет передавать между сегментами лишь необходимый трафик. Сообщение, передаваемое между двумя станциями в одном сегменте, не будет передано в другой и не сможет вызвать в нем перегрузки.

Сегодня при построении центральной магистрали, объединяющей серверы используют коммутируемый Ethernet. Ethernet-коммутаторы можно рассматривать как высокоскоростные многопортовые мосты, которые в состоянии самостоятельно определить, в какой из его портов адресован пакет. Коммутатор просматривает заголовки пакетов и таким образом составляет таблицу, определяющую, где находится тот или иной абонент с таким физическим адресом. Это позволяет ограничить область распространения пакета и снизить вероятность переполнения, посылая его только в нужный порт. Только широковещательные пакеты рассылаются по всем портам.

100BaseT - старший брат 10BaseT

Идея технологии Fast Ethernet родилась в 1992 году. В августе следующего года группа производителей объединилась в Союз Fast Ethernet (Fast Ethernet Alliance, FEA). Целью FEA было как можно скорее получить формальное одобрение Fast Ethernet от комитета 802.3 Института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (Institute of Electrical and Electronic Engineers, IEEE), так как именно этот комитет занимается стандартами для Ethernet. Удача сопутствовала новой технологии и поддерживающему ее альянсу: в июне 1995 года все формальные процедуры были завершены, и технологии Fast Ethernet присвоили наименование 802.3u.

С легкой руки IEEE Fast Ethernet именуется 100BaseT. Объясняется это просто: 100BaseT является расширением стандарта 10BaseT с пропускной способностью от 10 М бит/с до 100 Мбит/с. Стандарт 100BaseT включает в себя протокол обработки множественного доступа с опознаванием несущей и обнаружением конфликтов CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), который используется и в 10BaseT. Кроме того, Fast Ethernet может работать на кабелях нескольких типов, в том числе и на витой паре. Оба эти свойства нового стандарта весьма важны для потенциальных покупателей, и именно благодаря им 100BaseT оказывается удачным путем миграции сетей на базе 10BaseT.

Главным коммерческим аргументом в пользу 100BaseT является то, что Fast Ethernet базируется на наследуемой технологии. Так как в Fast Ethernet используется тот же протокол передачи сообщений, что и в старых версиях Ethernet, а кабельные системы этих стандартов совместимы, для перехода к 100BaseT от 10BaseT требуются

меньшие капитальные вложения, чем для установки других видов высокоскоростных сетей. Кроме того, поскольку 100BaseT представляет собой продолжение старого стандарта Ethernet, все инструментальные средства и процедуры анализа работы сети, а также все программное обеспечение, работающее на старых сетях Ethernet должны в данном стандарте сохранить работоспособность. Следовательно, среда 100BaseT будет знакома администраторам сетей, имеющим опыт работы с Ethernet. А значит, обучение персонала займет меньше времени и обойдется существенно дешевле.

СОХРАНЕНИЕ ПРОТОКОЛА

Пожалуй, наибольшую практическую пользу новой технологии принесло решение оставить протокол передачи сообщений без изменения. Протокол передачи сообщений, в нашем случае CSMA/CD, определяет способ, каким данные передаются по сети от одного узла к другому через кабельную систему. В модели ISO/OSI протокол CSMA/CD является частью уровня управления доступом к среде (Media Access Control, MAC). На этом уровне определяется формат, в котором информация передается по сети, и способ, каким сетевое устройство получает доступ к сети (или управление сетью) для передачи данных.

Название CSMA/CD можно разбить на две части: Carrier Sense Multiple Access и Collision Detection. Из первой части имени можно заключить, каким образом узел с сетевым адаптером определяет момент, когда ему следует послать сообщение. В соответствии с протоколом CSMA, сетевой узел 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 - сетевой узел переходит в режим ожидания и пребывает в нем, пока сеть не освободится. Когда в сети наступает молчание, узел начинает передачу. Фактически данные посылаются всем узлам сети или сегмента, но принимаются лишь тем узлом, которому они адресованы.

Collision Detection - вторая часть имени - служит для разрешения ситуаций, когда два или более узла пытаются передавать сообщения одновременно. Согласно протоколу CSMA, каждый готовый к передаче узел должен вначале слушать сеть, чтобы определить, свободна ли она. Однако, если два узла слушают в одно и тоже время, оба они решат, что сеть свободна, и начнут передавать свои пакеты одновременно. В этой ситуации передаваемые данные накладываются друг на друга (сетевые инженеры называют это конфликтом), и ни одно из сообщений не доходит до пункта назначения. Collision Detection требует, чтобы узел прослушал сеть также и после передачи пакета. Если обнаруживается конфликт, то узел повторяет передачу через случайным образом выбранный промежуток времени и вновь проверяет, не произошел ли конфликт.

ТРИ ВИДА FAST ETHERNET

Наряду с сохранением протокола CSMA/CD, другим важным решением было спроектировать 100BaseT таким образом, чтобы в нем можно было применять кабели разных типов - как те, что используются в старых версиях Ethernet, так и более новые модели. Стандарт определяет три модификации для обеспечения работы с разными видами кабелей Fast Ethernet: 100BaseTX, 100BaseT4 и 100BaseFX. Модификации 100BaseTX и 100BaseT4 рассчитаны на витую пару, а 100BaseFX был разработан для оптического кабеля.

Стандарт 100BaseTX требует применения двух пар UTP или STP. Одна пара служит для передачи, другая – для приема. Этим требованиям отвечают два основных кабельных стандарта: EIA/TIA-568 UTP Категории 5 и STP Типа 1 компании IBM. В 100BaseTX привлекательно обеспечение полнодуплексного режима при работе с сетевыми серверами, а также использование всего двух из четырех пар восьмижильного кабеля - две другие пары остаются свободными и могут быть использованы в дальнейшем для расширения возможностей сети.

Впрочем, если вы собираетесь работать с 100BaseTX, используя для этого проводку Категории 5, то вам следует знать и об его недостатках. Этот кабель дороже других восьмижильных кабелей (например Категории 3). Кроме того, для работы с ним требуется использование пробойных блоков (punchdown blocks), разъемов и коммутационных панелей, удовлетворяющих требованиям Категории 5. Нужно добавить, что для поддержки полнодуплексного режима следует установить полнодуплексные коммутаторы.

Стандарт 100BaseT4 отличается более мягкими требованиями к используемому кабелю. Причиной тому то обстоятельство, что в 100BaseT4 используются все четыре пары восьмижильного кабеля: одна для передачи, другая для приема, а оставшиеся две работают как на передачу, так и на прием. Таким образом, в 100BaseT4 и прием, и передача данных могут осуществляться по трем парам. Раскладывая 100 Мбит/с на три пары, 100BaseT4 уменьшает частоту сигнала, поэтому для его передачи довольно и менее высококачественного кабеля. Для реализации сетей 100BaseT4 подойдут кабели UTP Категорий 3 и 5, равно как и UTP Категории 5 и STP Типа 1.

Преимущество 100BaseT4 заключается в менее жестких требованиях к проводке. Кабели Категорий 3 и 4 более распространены, и, кроме того, они существенно дешевле, нежели кабели Категории 5, о чем не следует забывать до начала монтажных работ. Недостатки же состоят в том, что для 100BaseT4 нужны все четыре пары и что полнодуплексный режим этим протоколом не поддерживается.

Fast Ethernet включает также стандарт для работы с многомодовым оптоволокном с 62.5-микронным ядром и 125-микронной оболочкой. Стандарт 100BaseFX ориентирован в основном на магистрали - на соединение повторителей Fast Ethernet в пределах одного здания. Традиционные преимущества оптического кабеля присущи и стандарту 100BaseFX: устойчивость к электромагнитным шумам, улучшенная защита данных и большие расстояния между сетевыми устройствами.

БЕГУН НА КОРОТКИЕ ДИСТАНЦИИ

Хотя Fast Ethernet и является продолжением стандарта Ethernet, переход от сети 10BaseT к 100BaseT нельзя рассматривать как механическую замену оборудования - для этого могут потребоваться изменения в топологии сети.

Теоретический предел диаметра сегмента сети Fast Ethernet составляет 250 метров; это всего лишь 10 процентов теоретического предела размера сети Ethernet (2500 метров). Данное ограничение проистекает из характера протокола CSMA/CD и скорости передачи 100Мбит/с.

Как уже отмечалось ранее, передающая данные рабочая станция должна прослушивать сеть в течение времени, позволяющего убедиться в том, что данные достигли станции назначения. В сети Ethernet с пропускной способностью 10 Мбит/с (например 10Base5) промежуток времени, необходимый рабочей станции для прослушивания сети на предмет конфликта, определяется расстоянием, которое 512-битный кадр (размер кадра задан в стандарте Ethernet) пройдет за время обработки этого кадра на рабочей станции. Для сети Ethernet с пропускной способностью 10 Мбит/с это расстояние равно 2500 метров (см. Рис. 1).

С другой стороны, тот же самый 512-битный кадр (стандарт 802.3u задает кадр того же размера, что и 802.3, то есть в 512 бит), передаваемый рабочей станцией в сети Fast Ethernet, пройдет всего 250 м, прежде чем рабочая станция завершит его обработку (см. Рис. 2). Если бы принимающая станция была удалена от передающей станции на расстояние свыше 250 м, то кадр мог бы вступить в конфликт с другим кадром на линии где-нибудь дальше, а передающая станция, завершив передачу, уже не восприняла бы этот конфликт. Поэтому максимальный диаметр сети 100BaseT составляет 250 метров (см. Рис.3).

Чтобы использовать допустимую дистанцию, потребуется два повторителя для соединения всех узлов. Согласно стандарту, максимальное расстояние между узлом и повторителем составляет 100 метров; в Fast Ethernet, как и в 10BaseT, расстояние между концентратором и рабочей станцией не должно превышать 100метров. Поскольку соединительные устройства (повторители) вносят дополнительные задержки, реальное рабочее расстояние между узлами может оказаться еще меньше. Поэтому представляется разумным брать все расстояния с некоторым запасом.

Для работы на больших расстояниях придется приобрести оптический кабель. Например, оборудование 100BaseFX в полудуплексном режиме позволяет соединить коммутатор с другим коммутатором или конечной станцией, находящимися на расстоянии до 450 метров друг от друга. Установив полнодуплексный 100BaseFX, можно соединить два сетевых устройства на расстоянии до двух километров.

КАК УСТАНОВИТЬ 100BASET

Кроме кабелей, которые мы уже обсудили, для установки Fast Ethernet потребуются сетевые адаптеры для рабочих станций и серверов, концентраторы 100BaseT и, возможно, некоторое количество коммутаторов 100BaseT.

Адаптеры, необходимые для организации сети 100BaseT, носят название адаптеров Ethernet 10/100 Мбит/с. Данные адаптеры способны (это требование стандарта 100BaseT) самостоятельно отличать 10 Мбит/с от 100 Мбит/с. Чтобы обслуживать группу серверов и рабочих станций, переведенных на 100BaseT, потребуется также концентратор 100BaseT.

При включении сервера или персонального компьютера с адаптером 10/100 последний выдает сигнал, оповещающий о том, что он может обеспечить пропускную способность 100Мбит/с. Если принимающая станция (скорее всего, это будет концентратор) тоже рассчитана на работу с 100BaseT, она в ответ выдаст сигнал, по которому и концентратор, и ПК или сервер автоматически переходят в режим 100BaseT. Если концентратор работает только с 10BaseT, он не подает ответный сигнал, и ПК или сервер автоматически перейдут в режим 10BaseT.

В случае мелкомасштабных конфигураций 100BaseT можно применить мост или коммутатор 10/100, которые обеспечат связь части сети, работающей с 100BaseT, с уже существующей сетью 10BaseT.

ОБМАНЧИВАЯ БЫСТРОТА

Подытоживая все вышесказанное, заметим, что, как нам кажется, Fast Ethernet наиболее хорош для решения проблем высоких пиковых нагрузок. Например, если кто-то из пользователей работает с САПР или программами обработки изображений и нуждается в повышении пропускной способности, то Fast Ethernet может оказаться хорошим выходом из положения. Однако если проблемы вызваны избыточным числом пользователей в сети, то 100BaseT начинает тормозить обмен информацией при примерно 50-процентной загрузке сети- иными словами, на том же уровне, что и 10BaseT. Но в конце концов, это ведь не более чем расширение 10BaseT.

На главную