Файл: Алексей Старовойтов СанктПетербург бхвпетербург 2006 удк 681 06 ббк 32. 973. 202 С77.pdf

18
×àñòü I. Êðàòêèå îñíîâû ôóíêöèîíèðîâàíèÿ ñåòåé всю дистанцию, теперь уже в противоположном направлении. Таким обра- зом, станция 1 получит сигнал коллизии только в момент времени
T + t + t = T + 2t.
Вот почему длина кадра должна быть больше времени двойного оборота.
С понятием коллизии также связано понятие домена коллизий (collision domain) — это часть сети, все узлы которой распознают коллизию, незави- симо от того, в какой части сети коллизия произошла. Домен коллизий представляет собой единую разделяемую среду. Концентратор образует еди- ный домен коллизий. Коммутаторы и маршрутизаторы делят сеть на не- сколько доменов коллизий (рис. 2.4).
Ðèñ. 2.4. Ðàñïðîñòðàíåíèå êîëëèçèè è âðåìÿ äâîéíîãî îáîðîòà
Стандарты 10Base — это не что иное, как спецификация физической среды передачи. Рассмотрим подробнее эти стандарты.
10Base-5 представляет собой коаксиальный кабель диаметром 0,5 дюйма с волновым сопротивлением 50 Ом. Максимальная длина сегмента сети без повторителя до 500 м. Подключение компьютера к кабелю осущест- вляется при помощи специального устройства — трансивера (transiver).
Расстояние между трансиверами не менее 2,5 м. Поэтому для удобства на кабеле, как правило, наносятся метки. На концах сети обязательно должны стоять согласующие терминаторы, препятствующие отражению сигнала от концов кабеля. В противном случае в кабельной системе

Ãëàâà 2. Òåõíîëîãèè ëîêàëüíûõ ñåòåé
19 возникают стоячие волны, и некоторые узлы получают сигнал слишком низкого уровня. В результате сеть оказывается неработоспособной.
Стандартом допускается не более 4-х повторителей в сети и не более
3-х нагруженных сегментов.
10Base-2 представляет собой коаксиальный кабель диаметром 0,25 дюй- ма с волновым сопротивлением 50 Ом. Станции подключаются к кабелю при помощи специального Т-образного коннектора. Расстояние между станциями не менее 1 м. Поэтому для удобства есть разметка. На концах кабеля также устанавливаются терминаторы. Стандартом допускается не более 4-х повторителей в сети и не более 3-х нагруженных сегментов.
Максимальная длина сегмента сети без повторителя до 185 м. Стандарт
10Base-2 очень напоминает 10Base-5.
10Base-T представляет собой UTP-кабель (Unshielded Twisted Pair — не- экранированная витая пара). Используется кабель третьей категории.
В данном случае категория определяет полосу пропускания кабеля и не- которые другие характеристики. Используется две пары кабеля: одна для передачи от станции к повторителю, вторая для передачи от повторителя к станции. Максимальная длина сегмента сети без повторителя до 100 м.
Максимальная скорость передачи данных 10 Мбит/с. Сети на основе
UTP-кабеля строятся по звездообразной топологии. В центре звезды на- ходится концентратор (hub). Концентратор повторяет сигнал, пришед- ший на его вход, на все его выходы. Таким образом, реализуется единая разделяемая среда. В случае возникновения коллизия передается на все входы путем посылки специальной jam-последовательности. При со- единении концентраторов друг с другом их число между любыми двумя станциями не должно превышать 4-х (правило четырех хабов). При не- обходимости соединения нескольких хабов логически целесообразно ор- ганизовать древовидную структуру и использовать более жесткое прави- ло 3-х хабов.
10Base-F
— физическая среда построена на основе волоконно- оптического кабеля. Оптическое волокно может быть многомодовое с полосой пропускания 800 МГц или многомодовое с полосой пропуска- ния 2–3 ГГц. Оптический кабель на основе многомодового волокна бо- лее дешевый и более простой в монтаже. Построение сети аналогично построению сети 10Base-T. Имеет два стандарта спецификации: 10Base-
FL, 10Base-FB. Отличаются стандарты мощностью передатчиков, а как следствие, и максимальным расстоянием между элементами сети (до не- скольких километров). Сети строятся по звездообразной топологии, в случае соединения нескольких концентраторов топология должна быть древовидной.
При расчете сетей, построенных по технологии Ethernet, важно соблюдать множество ограничений для сетей этого класса (рис. 2.5). Основными

20
×àñòü I. Êðàòêèå îñíîâû ôóíêöèîíèðîâàíèÿ ñåòåé правилами является правило 4-х хабов (как правило, оно вырождается в правило 3-х хабов) и ограничение длины одного сегмента (табл. 2.3).
Есть еще условия, которые при построении небольшой сети вам вряд ли придется соблюдать: это ограничение максимального количества узлов
(< 1024), а также соблюдение ограничения для времени двойного оборота.
Последние ограничения сказываются только в очень больших сетях или сетях, построенных на основе нескольких подсетей различного физическо- го уровня. Методики расчета мы приведем, когда будем рассматривать се- ти Fast Ethernet. Мы приведем упрощенные методики, если вы захотите более глубоко разобраться в методике расчета сетей, то обращайтесь к со- ответствующим источникам.
Ðèñ. 2.5. Ñîåäèíåíèå íåñêîëüêèõ õàáîâ
â ñåòÿõ 10Base-T
Òàáëèöà 2.3. Ñâîäíàÿ õàðàêòåðèñòèêà ñåòåé Ethernet
10Base-5 10Base-2 10Base-T 10Base-F
Òèï
êàáåëÿ
Òîëñòûé êî-
àêñèàëüíûé
êàáåëü RG-
8/11
Òîíêèé êîàê-
ñèàëüíûé êà-
áåëü RG-58/U
èëè RG-58A/U
UTP3, UTP4,
UTP5
MMF, SMF

Ãëàâà 2. Òåõíîëîãèè ëîêàëüíûõ ñåòåé
21
Òàáëèöà 2.3 (îêîí÷àíèå)
10Base-5 10Base-2 10Base-T 10Base-F
Òîïîëîãèÿ øèíà
øèíà
çâåçäà
çâåçäà
Ìàêñèìàëüíîå
÷èñëî óçëîâ íà
ñåãìåíòå
100 30 1024 1024
Ìàêñèìàëüíîå
êîëè÷åñòâî ñåã-
ìåíòîâ
5 5
5 (ïîñëåäî-
âàò.)
–
Ìàêñèìàëüíàÿ
äëèíà ñåãìåíòà
500 ì
185 ì
100 ì
SMF 5 êì
MMF 1 êì
Ìàêñèìàëüíàÿ
äëèíà ñåòè
2500 ì (300
óçëîâ)
925 ì
500 ì
–
Ìèíèìàëüíîå
ðàññòîÿíèå ìåæ-
äó òî÷êàìè âêëþ-
÷åíèÿ
2.5 ì
0.5 ì
–
–
Õàðàêòåð ïîä-
êëþ÷åíèÿ
òðàíñèâåð
BNC-T-
êîííåêòîð
RJ-45 SN-
êîííåêòîð
2.4. Òåõíîëîãèÿ Fast Ethernet
С развитием информационных технологий пропускной способности сети, обеспечиваемой технологией Ethernet, стало не хватать. Сеть стала не успе- вать передавать данные для компьютеров, скорость работы которых сущест- венно возросла. Сетевая среда стала узким местом, отрицательно сказываясь на производительности системы в целом. В результате научных разработок был создан стандарт Fast Ethernet, расширение Ethernet с пропускной спо- собностью до 100 Мбит/с. Этот стандарт получил название 802.3u. Стандарт
Fast Ethernet содержит три типа физической среды: 100Base-TX, 100Base-T4,
100Base-FX. Рассмотрим их подробнее.
100Base-TX использует 2 пары кабеля UTP или STP (Shielded Twisted
Pair — экранированная витая пара). Максимальная длина сегмента сети
100 м. Стандарт рассчитан на применение сетевой топологии типа звез- да. Центром сети является концентратор. Соединение кабеля с портом концентратора или сетевой картой осуществляется при помощи разъема
RJ-45.
100Base-T4 использует 4 пары кабеля UTP третьей категории. По трем парам идет обмен данными, одна задействована для распознавания кол- лизий. Максимальная длина сегмента сети 100 м. Этот стандарт был

22
×àñòü I. Êðàòêèå îñíîâû ôóíêöèîíèðîâàíèÿ ñåòåé разработан специально для организации сетей со скоростью 100 Мбит/с при кабеле UTP третьей категории. Стандарт рассчитан на применение топологии звезда. Соединение кабеля с порта концентратора или сете- вой картой осуществляется при помощи разъема RJ-45.
100Base-FX стандарт определяет построение физической среды на осно- ве многомодового оптического кабеля в полудуплексном (half duplex, одновременно работа возможна только в одном направлении: на переда- чу или на прием) и полнодуплексном режимах (full duplex, возможна работа сразу в двух направлениях: и на передачу, и на прием). Длина сегмента в полнодуплексном режиме до 2 км, в полудуплексном до 412 м. Используется топология звезды.
Для устройств 100Base-TX/T4 определен следующий протокол договора о скорости и режимах работы:
10Base-T использует 2 пары кабеля UTP третьей категории;
10Base-T full duplex использует 2 пары кабеля UTP третьей категории;
100Base-TX использует 2 пары кабеля UTP пятой категории;
100Base-T4 использует 4 пары кабеля UTP третьей категории;
100Base-TX full duplex использует 2 пары кабеля UTP пятой или STP
Type 1 категории.
Скорость определяется автоматически (auto-negotuiation). Процесс перего- воров начинается при включении устройства в сеть. Устройству предлагает- ся работать в самом "верхнем" режиме, если оно не поддерживает, то в от- вете указывает тот режим, в котором может работать.
В связи с увеличением задержки повторителями, правило 4-х хабов (табл. 2.4), вырождается в правило 2-х хабов или даже 1-го хаба. Точнее, в одном до- мене коллизий не может быть более 1-го хаба (I класса) и не более 2-х ха- бов (II класса). Повторители I и II классов отличаются задержкой в рас- пространении сигнала:
для класса I задержка составляет 70 битовых интервалов;
для класса II задержка составляет 46 битовых интервалов.
Если нарушить установленные требования, то суммарные задержки сигнала в кабеле и хабах превысят время двойного оборота, и сеть не сможет рабо- тать.
Òàáëèöà 2.4. Ñâîäíàÿ õàðàêòåðèñòèêà ñåòåé Fast Ethernet
100Base-TX 100Base-T4 100Base-FX
Òèï êàáåëÿ
UTP5,
STP òèï 1
UTP3, UTP4,
UTP5
MMF
Òîïîëîãèÿ
çâåçäà
çâåçäà
çâåçäà

Ãëàâà 2. Òåõíîëîãèè ëîêàëüíûõ ñåòåé
23
Òàáëèöà 2.4 (îêîí÷àíèå)
100Base-TX 100Base-T4 100Base-FX
Ìàêñèìàëüíîå ÷èñëî óçëîâ íà
ñåãìåíòå
1024 1024 1024
Ìàêñèìàëüíîå êîëè÷åñòâî ñåã-
ìåíòîâ
3 3
Ìàêñèìàëüíàÿ äëèíà êàáåëÿ ìå-
æäó êîíöåíòðàòîðàìè
5 ì
5 ì
Ìàêñèìàëüíàÿ äëèíà ñåãìåíòà
100 ì
100 ì
Äî 2 êì
Ìàêñèìàëüíàÿ äëèíà ñåòè
205 ì
205 ì
Ñïîñîá ïîäñîåäèíåíèÿ óçëà
RJ-45
RJ-45
Êîë-âî èñïîëüçóåìûõ ïàð êàáåëÿ
2 4
2.5. Ìåòîäèêà ðàñ÷åòà ñåòåé Fast Ethernet
íà ïîâòîðèòåëÿõ
Методика сводится к определению удвоенной задержки в распространении сигнала и сравнению суммарной задержки с минимальной длиной кадра в
512 интервалов. Необходимо также взять запас в несколько интервалов. Для удобства расчета используют табличные значения (табл. 2.5).
Проведем расчет для сети на рис. 2.6. Вообще, расчет можно проводить только для самого плохого случая, но он не всегда явно виден, особенно если значения близки к критической величине. Поэтому расчет лучше про- водить для всех возможных ветвей. В нашем случае конфигурация сети взя- та в учебных целях. Покажем пример расчета.
Станция 1 — Станция 2:
50 bt + 100
× 1 bt + 140 bt + 100 × 1,112 bt + 50 bt = 451,2 bt;
Станция 1 — Станция 3:
50 bt + 100
× 1 bt + 140 bt + 95 × 1,112 bt + 50 bt = 445,64 bt;
Станция 1 — Станция 4:
50 bt + 100
× 1 bt + 140 bt + 63 × 1 bt + 50 bt = 403 bt;
Станция 1 — Станция 5:
50 bt + 100
× 1 bt + 140 bt + 250 × 1 bt + 50 bt = 590 bt.

24
×àñòü I. Êðàòêèå îñíîâû ôóíêöèîíèðîâàíèÿ ñåòåé
То есть в данном случае есть явное превышение величины в 512 битовых интервалов, а значит, такая сеть не будет работоспособной. Причина —
слишком большое расстояние от Станции 5 до повторителя.
При большом числе станций расчеты могут усложняться, поэтому для авто- матизации расчетов лучше применять математические методы с использова- нием программы MCAD (или аналогичной).
В связи с развитием технологии и удешевлением техники, сети стали стро- иться на основе коммутаторов, что снимает ограничение на время двойного оборота (табл. 2.5). Остается ограничение только на максимальную длину сегмента сети (рис. 2.6).
Ðèñ. 2.6. Ìåòîäèêà ðàñ÷åòà ñåòåé Fast Ethernet
Òàáëèöà 2.5. Óäâîåíûå âåëè÷èíû çàäåðæåê,
âíîñèìûå ñåòåâûìè óñòðîéñòâàìè
Óñòðîéñòâî Óäâîåííàÿ
çàäåðæêà
Êàáåëü UTP 3 1,14 bt íà 1 ì
Êàáåëü UTP 4 1,14 bt íà 1 ì

Ãëàâà 2. Òåõíîëîãèè ëîêàëüíûõ ñåòåé
25
Òàáëèöà 2.5 (îêîí÷àíèå)
Óñòðîéñòâî Óäâîåííàÿ
çàäåðæêà
Êàáåëü UTP 5 1,112 bt íà 1 ì
STP
1,112 bt íà 1 ì
Îïòè÷åñêèé êàáåëü
1,0 bt íà 1 ì
Àäàïòåð TX/FX
50 bt
Àäàïòåðà T4 69 bt
Ïîâòîðèòåëü êëàññà I
140 bt
Ïîâòîðèòåëü êëàññà II
92 bt
2.6. Òåõíîëîãèÿ Gigabit Ethernet
Стандарт Fast Ethernet дал некоторую передышку, расширив производи- тельность сети до приемлемого уровня. Однако через несколько лет после принятия стандарта Fast Ethernet стало понятно, что назрела необходимость в разработке более производительного протокола. В 1996 г. Комитет IEEE принял проект стандарта Gigabit Ethernet (802.3 z), который должен был обеспечить пропускную способность 1000 Мбит/с. После принятия стандар- та ведущие компании-производители (среди них 3Com, Cisco, Compaq,
Intel, Sun) образовали Gigabit Ethernet Alliance. Цель альянса выработка стандарта для производителей оборудования. К 1998 г. к альянсу уже примкнуло более 100 компаний. И в 1998 г. был принят стандарт 802.3z, регламентирующий применение оптоволокна, а также категории UTP 5 на расстояния до 25 м. Стандарт, регламентирующий работу на неэкраниро- ванной витой паре на расстоянии до 100 м, был принят через год, посколь- ку потребовалась разработка специального кода для обеспечения необходи- мой надежности и помехоустойчивости.
Технология Gigabit Ethernet во многом явилась приемником технологии Fast
Ethernet. Сохранились форматы кадров, поддерживаются основные типы кабелей, однако есть и много отличий, изменились методы кодировки и модуляции. Стандарт Gigabit Ethernet определяет возможность работы по следующим типам физической среды (табл. 2.6):
многомодовое оптоволокно;
одномодовое оптоволокно;
экранированная витая пара;
неэкранированная витая пара пятой категории.

26
×àñòü I. Êðàòêèå îñíîâû ôóíêöèîíèðîâàíèÿ ñåòåé
Òàáëèöà 2.6. Ñâîäíàÿ õàðàêòåðèñòèêà ñåòåé Gigabit Ethernet
1000Base-LX 1000Base-SX 1000Base-CX 1000Base-T
Òèï êàáåëÿ
MMF, SMF
MMF
STP
UTP-5
Òîïîëîãèÿ
çâåçäà
çâåçäà
çâåçäà
çâåçäà
Ìàêñèìàëüíîå
÷èñëî óçëîâ íà
ñåãìåíòå
2 2 2 2
Ìàêñèìàëüíàÿ
äëèíà ñåãìåíòà
SMF — 3êì,
MMF — 550 ì
Äî 550 ì
25 ì
100 ì
Òèï ëàçåðà
1300 íì
850 íì
–
–
Ñïåöèôèêàöèÿ
802.3 z
802.3 ab
Наиболее интересен последний стандарт, поскольку он позволяет использо- вать уже проложенные кабельные системы на основе кабеля UTP 5. Вместе с тем "втиснуть" пропускную способность 1000 Мбит/с в кабель, который допускает передачу только 100 МБит/с, достаточно сложно, так как элек- трические параметры кабеля (волновое сопротивление и погонная емкость) приводят к сильному затуханию сигнала с увеличением частоты передачи выше допустимой по номиналу. Кроме того, влияние ближних и дальних перекрестных помех между четырьмя парами кабеля потребовало разработ- ки специальной скремблированной помехоустойчивой передачи и интеллек- туального узла распознавания и восстановления сигнала на приеме.
Для достижения скорости 1000 Мбит/с без изменения частоты сигнал пере- дается сразу по 4 витым парам (кабель UTP 5 категории содержит именно 4 витых пары). Значит, по одной паре передается 1000 / 4 = 250 (Мбит/с).
Кроме того, для дальнейшего снижения частоты, используется пятиуровне- вое кодирование сигнала (–2, –1, 0, 1, 2). Причина того, что при использо- вании пятиуровневого кодирования снижается частота сигнала в кабеле, заключается в следующем. При распространенном четырехуровневом коди- ровании существует 4 различных комбинации: 00, 01, 10, 11. Это значит, что за один такт передаются 2 бита информации. Получается, что при передаче двух битов информации передатчик меняет сигнал на своем выходе всего один раз, следовательно, уменьшается в два раза частота модуляции сигна- ла. И теперь частота будет 250 / 2 = 125 МГц, вместо 250 МГц (рис. 2.7).
Пятый уровень добавляет в код избыточность, благодаря чему возможна коррекция ошибок. Это дает дополнительный резерв в соотношении сиг- нал/шум.

Ãëàâà 2. Òåõíîëîãèè ëîêàëüíûõ ñåòåé
27
Ðèñ. 2.7. Ïðèìåíåíèå ÷åòûðåõóðîâíåâîãî êîäèðîâàíèÿ
Поскольку для передачи используется сразу 4 витые пары, есть сложности с организацией полнодуплексного режима работы. Для отделения своего сиг- нала приемник вычитает из сигнала, взятого с линии, свой сигнал. Это зна- чит, что в полнодуплексном режиме работы возникновение коллизии (од- новременной работы двух узлов) является нормой. На рис. 2.8
изображена работа сети в полнодуплексном режиме.
Ðèñ. 2.8. Ðàáîòà ñåòè 1000Base-T
На данный момент технологии Gigabit Ethernet предсказывают большое будущее. На сегодняшний день практически все ведущие производители освоили выпуск сетевого оборудования данного стандарта. Рост рынка Gi- gabit Ethernet и других высокоскоростных технологий сулит радужные пер- спективы не только по обилию оборудования, но и по соотношению це- на/производительность.