Выбор и оценка конфигурации сети Ethernet

При выборе конфигурации сети Ethernet, состоящей из сегментов различных типов, возникает много вопросов, связанных прежде всего с максимально допустимым размером (диаметром) сети и максимально возможным числом различных элементов. Сеть будет работоспособной только в том случае, если максимальная задержка распространения сигнала в ней не превысит предельной величины. Эта величина определяется выбранным методом управления обменом CSMA/CD, основанным на обнаружении коллизий [4, 12].

Четкое распознавание коллизий всеми станциями сети является необходимым условием корректной работы сети Ethernet. Если какая-либо передающая станция не распознает коллизию и решит, что кадр данных ею передан верно, то этот кадр данных будет утерян. Из-за наложения сигналов при коллизии информация кадра исказится, и он будет отбракован принимающей станцией (возможно, из-за несовпадения контрольной суммы). Скорее всего, искаженная информация будет повторно передана каким-либо протоколом верхнего уровня, например, транспортным или прикладным, работающим с установлением соединения. Но повторная передача сообщения протоколами верхних уровней произойдет через значительно более длительный интервал времени (иногда даже через несколько секунд) по сравнению с микросекундными интервалами, которыми оперирует протокол Ethernet. Поэтому если коллизии не будут надежно распознаваться узлами сети Ethernet, то это приведет к заметному снижению полезной пропускной способности данной сети.

Для надежного распознавания коллизий должно выполняться следующее соотношение:

Т_min > t_PDV,

где Т_min — время передачи кадра минимальной длины;

t_PDV — время, за которое сигнал коллизии успевает распространиться до самого дальнего узла сети.

Так как в худшем случае сигнал должен пройти дважды между наиболее удаленными друг от друга станциями сети (в одну сторону проходит неискаженный сигнал, а на обратном пути распространяется уже искаженный коллизией сигнал), то это время называется временем двойного оборота (Path Delay Value, PDV).

При выполнении этого условия передающая станция должна успевать обнаружить коллизию, которую вызвал переданный ее кадр, еще до того, как она закончит передачу этого кадра.

Очевидно, что выполнение этого условия зависит, с одной стороны, от длины минимального кадра и пропускной способности сети, а с другой стороны, от длины кабельной системы сети и скорости распространения сигнала в кабеле (для разных типов кабеля эта скорость несколько отличается).

Все параметры протокола Ethernet подобраны таким образом, чтобы при нормальной работе узлов сети коллизии всегда четко распознавались. При выборе параметров, конечно, учитывалось и приведенное выше соотношение, связывающее между собой минимальную длину кадра и максимальное расстояние между станциями в сегменте сети.

В стандарте Ethernet принято, что минимальная длина поля данных кадра составляет 46 байтов (что вместе со служебными полями дает минимальную длину кадра 64 байта, а вместе с преамбулой — 72 байта или 576 битов). Отсюда может быть определено ограничение на расстояние между станциями.

После окончания передачи кадра все узлы сети обязаны выдержать технологическую паузу (Inter Packet Gap) в 9,6 мкс. Эта пауза, называемая также межкадровым интервалом, нужна для приведения сетевых адаптеров в исходное состояние, а также для предотвращения монопольного захвата среды одной станцией. После окончания технологической паузы узлы имеют право начать передачу своего кадра, так как среда свободна.

Соблюдение многочисленных ограничений, установленных для различных стандартов физического уровня сетей Ethernet, гарантирует конкретную работу сети (естественно, при исправном состоянии всех элементов физического уровня).

Наиболее часто приходится проверять ограничения, связанные с длиной отдельного сегмента кабеля, а также количеством повторителей и общей длиной сети. Правила «5-4-3» для коаксиальных сетей и «4 хабов» для сетей на основе витой пары и оптоволокна не только дают гарантии работоспособности сети, но и оставляют большой «запас прочности» сети. Например, если просчитать время двойного оборота в сети, состоящей из 4 повторителей 10 Base-5 и 5 сегментов максимальной длины 500 м, то окажется, что оно составляет 537 битовых интервалов. А так как время передачи кадра минимальной длины, состоящего вместе с преамбулой из 72 байтов, равно 575 битовым интервалам, то видно, что разработчики стандарта Ethernet оставили 38 битовых интервалов в качестве запаса для надежности. Тем не менее комитет 802.3 говорит, что и 4 дополнительных битовых интервала создают достаточный запас надежности.

Комитет IEEE 802.3 приводит исходные данные о задержках, вносимых повторителями и различными средами передачи данных, для тех специалистов, которые хотят самостоятельно рассчитывать максимальное количество повторителей и максимальную общую длину сети, не довольствуясь теми значениями, которые приведены в правилах «5-4-3» и «4 хабов». Особенно такие расчеты полезны для сетей, состоящих из смешанных кабельных систем, например, коаксиала и оптоволокна, на которые правила о количестве повторителей не рассчитаны. При этом максимальная длина каждого отдельного физического сегмента должна строго соответствовать стандарту, то есть 500 м для «толстого» коаксиала, 100 м для витой пары и т.д.

Чтобы сеть Ethernet, состоящая из сегментов различной физической природы, работала корректно, необходимо выполнение четырех основных условий:

- количество станций в сети не более 1024;

- максимальная длина каждого физического сегмента не более величины, определенной в соответствующем стандарте физического уровня;

- время двойного оборота сигнала (Part Delay Value, PDV) между двумя самыми удаленными друг от друга станциями сети не более 575 битовых интервалов;

- сокращение межкадрового интервала IPG (Part Variability Value, PVV) при прохождении последовательности кадров через все повторители должно быть не больше чем 49 битовых интервалов. Так как при отправке кадров конечные узлы обеспечивают начальное межкадровое расстояние в 96 битовых интервалов, то после прохождения повторителя оно должно быть не меньше чем 96-49=47 битовых интервалов.

Для упрощения расчетов обычно используются справочные данные IEEE, содержащие значения задержек распространения сигналов в повторителях, приемопередатчиках и различных физических средах. В табл. 5.1 приведены данные, необходимые для расчета значения t_PDV для всех физических стандартов сетей Ethernet. Величины задержек сигнала для расчета PDV приводятся в битовых интервалах.

Комитет 802.3 старался максимально упростить выполнение расчетов, поэтому данные, приведенные в таблице, включают сразу несколько этапов прохождения сигнала. Например, задержки, вносимые повторителем, состоят из задержки входного трансивера, задержки блока повторения и задержки выходного трансивера. Тем не менее в таблице все эти задержки представлены одной величиной, названной базой сегмента.

Таблица 5.1 – Данные для расчета значения времени двойного оборота

Чтобы не нужно было два раза складывать задержки, вносимые кабелем, в таблице даются удвоенные величины задержек для каждого типа кабеля.

В таблице используются также такие понятия, как левый сегмент, правый сегмент и промежуточный сегмент.

Левым сегментом в терминологии 802.3 называется сегмент, в котором начинается путь сигнала от выхода передатчика конечного узла. Сам термин «левый» не имеет отношения к расположению сегментов в пространстве. Это просто условное название сегмента, с которого начинается расчет.

Конечный сегмент, в котором может возникнуть коллизия, называется правым сегментом.

С каждым сегментом связана постоянная задержка, названная базой, которая зависит только от типа сегмента и от положения сегмента на пути сигнала (левый, промежуточный или правый). База правого сегмента, в котором возникает коллизия, намного превышает базу левого и промежуточных сегментов.

Кроме того, с каждым сегментом связана задержка распространения сигнала вдоль кабеля сегмента, которая зависит от длины сегмента и вычисляется путем умножения времени распространения сигнала по одному метру кабеля (в битовых интервалах) на длину кабеля в метрах.

Расчет заключается в вычислении задержек, вносимых каждым отрезком кабеля (приведенная в таблице задержка сигнала на 1 м кабеля умножается на длину сегмента), а затем суммировании этих задержек с базами левого, промежуточных и правого сегментов.

Так как левый и правый сегменты имеют разные величины базовой задержки, то в случае различных типов сегментов на удаленных краях сети необходимо выполнить расчеты дважды: один раз принять в качестве левого сегмента сегмент одного типа, а во второй – сегмент другого типа. Результатом можно считать максимальное из полученных значений t_PDV.

Оценивается PDV для наихудшего случая для максимально удаленных узлов между которыми, например, находится n сегментов в соответствии со следующим выражением:

, (5.1)

где i – номер сегмента;

n – количество сегментов;

– база в виде постоянной задержки сигнала, зависящей от типа i-го сегмента и от положения сегмента на пути сигнала (например,. левый сегмент, промежуточный, правый); задержка измеряется с помощью битовых интервалов;

– длина i-го сегмента, м;

– время распространения (задержки) сигнала по 1 м кабеля i-го сегмента, битовый интервал/м.

Прежде всего, отметим, что для получения сложных конфигураций Ethernet из отдельных сегментов применяются концентраторы двух основных типов [6]:

- репитерные концентраторы, которые представляют собой набор репитеров (повторителей) и никак логически не разделяют сегменты, подключенные к ним;

- коммутирующие (switching) концентраторы или коммутаторы, которые передают информацию между сегментами, но не передают конфликты с сегмента на сегмент.

В случае более сложных коммутирующих концентраторов конфликты в отдельных сегментах решаются на месте, в самих сегментах, и не распространяются по сети, как в случае более простых репитерных концентраторов. Это имеет принципиальное значение для выбора топологии сети Ethernet, так как используемый в ней метод доступа CSMA/CD предполагает наличие конфликтов и их разрешение, причем общая длина сети как раз и определяется размером зоны конфликта, области коллизии (collision domain). Таким образом, применение репитерного концентратора не разделяет зону конфликта, в то время как каждый коммутирующий концентратор делит

зону конфликта на части. В случае коммутатора оценивать работоспособность надо для каждой части сети отдельно, а в случае репитерных концентраторов надо оценивать работоспособность всей сети в целом.

На практике репитерные концентраторы (повторители) применяются гораздо чаще, так как они проще и дешевле. Как известно, повторитель служит для объединения в одну сеть нескольких сегментов кабеля и увеличения тем самым общей длины сети. Повторитель принимает сигналы из одного сегмента кабеля и побитно синхронно повторяет их в другом сегменте, улучшая форму и мощность импульсов, а также синхронизируя импульсы. Повторитель состоит из двух (или нескольких) трансиверов, которые присоединяются к сегментам кабеля, а также блока повторения со своим тактовым генератором. Для лучшей синхронизации передаваемых битов повторитель задерживает передачу нескольких первых битов преамбулы кадра, за счет чего увеличивается задержка передачи кадра с сегмента на сегмент, а также несколько уменьшается межкадровый интервал IPG.

Стандарт разрешает использование в сети не более 4 повторителей и соответственно не более 5 сегментов кабеля. При максимальной длине сегмента кабеля в 500 м это дает максимальную длину сети 10Base-5 в 2500 м. Только 3 сегмента из 5 могут быть нагруженными, то есть такими, к которым подключаются конечные узлы. Между нагруженными сегментами должны быть ненагруженные сегменты, так что максимальная конфигурация сети представляет собой два нагруженных крайних сегмента, которые соединяются ненагруженными сегментами еще с одним центральным нагруженным сегментом.

Правило применения повторителей в сети Ethernet 10Base-5 носит название «5-4-3»: 5 сегментов, 4 повторителя, 3 нагруженных сегмента. Ограниченное число повторителей объясняется дополнительными задержками распространения сигнала, которые они вносят. Применение повторителей увеличивает время двойного распространения сигнала, которое для надежного распознавания коллизий не должно превышать время передачи кадра минимальной длины, то есть кадра в 72 байта или 576 битов.

При выборе и оценке конфигурации Ethernet используются две основные модели. Остановимся кратко на их особенностях [6].

Первая модель формулирует набор простых правил, которые необходимо соблюдать проектировщику сети при соединении отдельных компьютеров и сегментов.

1 Повторитель, или концентратор, подключенный к сегменту, снижает на единицу максимально допустимое число абонентов, подключаемых к сегменту.

2 Полный путь между двумя любыми абонентами должен включать в себя не более пяти сегментов, четырех концентраторов (повторителей) и двух трансиверов для сегментов 10 BASE 5.

3 Если путь между абонентами состоит из пяти сегментов и четырех концентраторов (повторителей), то количество сегментов, к которым подключены компьютеры, не должно превышать трех, а остальные сегменты должны просто связывать между собой концентраторы (повторители). Это так называемое «правило 5-4-3».

4 Если путь между абонентами состоит из четырех сегментов и трех концентраторов (повторителей), то должны выполняться следующие условия:

- максимальная длина оптоволоконного кабеля сегмента 10BASE-FL, соединяющего между собой концентраторы (повторители), не должна превышать 1000 м;

- максимальная длина оптоволоконного кабеля сегмента 10BASE-FL, соединяющего концентраторы (повторители) с компьютерами, не должна превышать 400 м;

- ко всем сегментам могут подключаться компьютеры.

При выполнении этих правил можно быть уверенным, что сеть будет работоспособной. Никаких дополнительных расчетов в данном случае не требуется. Считается, что соблюдение данных правил гарантирует допустимую величину задержки сигнала в сети.

На рис. 5.1 показан пример максимальной конфигурации, удовлетворяющей этим правилам. Здесь максимально возможный путь (диаметр сети) проходит между двумя нижними по рисунку абонентами: он включает в себя пять сегментов (10BASE2, 10BASE5, 10BASE-FL, 10BASE-FL и 10BASE-T), четыре концентратора (репитера) и два трансивера MAU.

Рисунок 5.1 – Пример максимальной конфигурации в соответствии

с первой моделью

Вторая модель, применяемая для оценки конфигурации Ethernet, основана на точном расчете временных характеристик выбранной конфигурации сети. Она иногда позволяет выйти за пределы жестких ограничений модели 1. Применение модели 2 совершенно необходимо в том случае, когда размер проектируемой сети близок к максимально допустимому.

В модели 2 используются две системы расчетов:

- первая система предполагает вычисление двойного (кругового) времени прохождения сигнала по сети и сравнение его с максимально допустимой величиной;

- вторая система проверяет допустимость величины получаемого межкадрового временного интервала (IPG - InterPacket Gap) в сети.

Вычисления в обеих системах расчетов ведутся для наихудшего случая, для пути максимальной длины, то есть для такого пути передаваемого по сети пакета, который требует для своего прохождения максимального времени. При первой системе расчетов выделяются три типа сегментов:

- начальный сегмент — это в терминологии 802.3 «левый» сегмент, соответствующий началу пути максимальной длины;

- конечный сегмент — «правый» сегмент, расположенный в конце пути максимальной длины;

- промежуточный сегмент — это сегмент, входящий в путь максимальной длины, но не являющийся ни начальным, ни конечным.

Промежуточных сегментов в выбранном пути может быть несколько, а начальный и конечный сегменты при разных расчетах могут меняться местами друг с другом. Выделение трех типов сегментов позволяет автоматически учитывать задержки сигнала на всех концентраторах, входящих в путь максимальной длины, а также в приемопередающих узлах адаптеров. Для расчетов используются величины задержек, представленные в таблице 5.2

Таблица 5.2 – Величины задержек для расчета двойного времени прохождения сигнала

Тип сегмента Ethernet	Макс. длина, м	Величина задержки (база) для:	Задержка на метр длины
левого сегмента	промежуточ- ного сегмента	правого сегмента
10BASE5		11,8	55,0	46,5	89,8	169,5	212,8	0,087
10BASE2		11,8	30,8	46,5	65,5	169,5	188,5	0,103
10BASE-Т		15,3	26,6	42,0	53,3	165,0	176,3	0,113
10BASE-FL		12,3	212,3	33,5	233,5	156,5	356,5	0,100
FOIRL		7,8	107,8	29,0	129,0	152,0	252,0	0,100
AUI			5,1		5,1		5,1	0,103

Методика расчета сводится к следующему.

1 В сети выделяется путь максимальной длины. Все дальнейшие расчеты ведутся для него. Если этот путь не очевиден, то расчеты ведутся для всех возможных путей, и на основа­нии этих расчетов выбирается путь максимальной длины.

2 Если длина сегмента, входящего в выбранный путь, не максимальна, то рассчитывается двойное (круговое) время прохождения в каждом i-м сегменте выделенного пути по формуле

(5.2)

При этом надо учитывать тип сегмента: начальный, промежуточный или конечный.

3 Если длина сегмента равна максимально допустимой, то из таблицы 5.2 для него берется величина максимальной задержки t_{m .}

4 Суммарная величина задержек всех сегментов выделенного пути определяется в соответствии с формулой (5.1) и не должна превышать предельной величины 512 битовых интервалов (51,2 мкс).

5 Выполняются те же действия для обратного направления выбранного пути (то есть конечный сегмент считается начальным и наоборот). Из-за разных задержек передающих и принимающих узлов концентраторов величины задержек в разных направлениях могут отличаться.

6 Если задержки в обоих случаях не превышают величины 512 битовых интервалов, то сеть считается работоспособной.

Например, для конфигурации, показанной на рис. 5.1, путь наибольшей длины – это путь между двумя нижними по рисунку компьютерами. В данном случае это довольно очевидно. Этот путь включает в себя пять сегментов (слева направо): 10BASE2,10BASE5,10BASE-FL (два сегмента) и 10BASE-T.

Произведем расчет, считая начальным сегментом 10BASE2, а конечным – 10BASE-T.

1 Начальный сегмент 10BASE2 имеет максимально допустимую длину (185 м), следовательно, для него берем из таблицы 5.2 величину задержки 30,8.

2 Промежуточный сегмент 10BASE5 также имеет максимально допустимую длину (500 м), поэтому для него берем из таблицы 5.2 величину задержки 89,8.

3 Оба промежуточных сегмента 10BASE-FL имеют длину 500 м, следовательно, задержка каждого из них будет вычисляться по формуле

500 • 0,100 + 33,5 = 83,5.

4 Конечный сегмент 10BASE-T имеет максимально допустимую длину (100 м), поэтому из таблицы берем для него величину задержки 176,3.

5 В путь наибольшей длины входят также шесть AUI-кабелей: два из них (в сегменте 10BASE5) показаны на рисунке, а четыре (в двух сегментах 10BASE-FL) не показаны, но в реальности вполне могут присутствовать. Будем считать, что суммарная длина всех этих кабелей равна 200 м, то есть четырем максимальным длинам. Тогда задержка на всех AUI-кабелях будет равна 4 • 5,1 =20,4.

6 В результате суммарная задержка для всех пяти сегментов с учетом кабелей AUI составит

t_PDV = =20,4 + (30,8 + 89,8 + 83,5 + 83,5 + 176,3)=484,3,

что меньше, чем предельно допустимая величина 512 битовых интервала, то есть сеть работоспособна.

Произведем теперь расчет суммарной задержки для того же пути, но в обратном направлении. При этом начальным сегментом будет 10ВASE-T, а конечным - 10BASE2. В конечной сумме изменятся только два слагаемых (промежуточные сегменты остаются промежуточными). Для начального сегмента 10BASE-T максимальной длины задержка составит 26,6 битового интервала, а для конечного сегмента 10BASE2 максимальной длины задержка составит 188,5 битовых интервалов. Суммарная задержка будет равняться

t_PDV =20,4+(26,6 + 83,5 + 83,5 + 89,8 + 188,5)=492,3,

что опять же меньше 512 битовых интервалов. Работоспособность сети подтверждена.

Однако расчета двойного времени прохождения в соответствии со стандартом еще не достаточно, чтобы сделать окончательный вывод о работоспособности сети.

Второй расчет, применяемый в модели 2, проверяет соответствие стандарту величины межкадрового интервала (IPG). Эта величина изначально не должна быть меньше, чем 96 битовых интервалов (9,6 мкс), то есть только через 9,6 мкс после освобождения сети абоненты могут начать свою передачу. Однако при прохождении пакетов (кадров) через репитеры и концентраторы межкадровый интервал может сокращаться, вследствие чего два пакета могут в конце концов восприниматься абонентами как один. Допустимое сокращение IPG определено стандартом в 49 битовых интервалов (4,9 мкс).

Для вычислений здесь так же, как и в предыдущем случае, используются понятия начального сегмента и промежуточного сегмента. Конечный сегмент не вносит вклада в сокращение межкадрового интервала, так как пакет доходит по нему до принимающего компьютера без прохождения репитеров и концентраторов. При вычислениях используются данные таблицы 5.3.

Таблица 5.3 - Величины сокращения межкадрового интервала (IPG) для разных сегментов Ethernet

Тип сегмента Etherne	Величина сокращения IPG ( ) для:
левого сегмента	промежуточного сегмента
10BASE2
10BASE5
10BASE-Т
10BASE-FL

Полная величина сокращения IPG для всех n сегментов определяется в соответствии с выражением

. (5.3)

Полученное значение t_PVV необходимо сравнить с предельной величиной 49 битовых интервалов. Если сумма меньше 49, мы можем сделать вывод о работоспособности сети. Для гарантии расчет производится в обоих направлениях выбранного пути.

Для примера обратимся к конфигурации, показанной на рис. 5.1. Максимальный путь здесь – между двумя нижними по рисунку компьютерами. Берем в качестве начального сегмента 10 BASE2. Для него сокращение межкадрового интервала . Далее следуют промежуточные сегменты: 10 BASE5 (величина сокращения ) и два сегмента 10BASE-FL (каждый из них внесет свой вклад по битовых интервалов). В результате суммарное сокращение межкадрового интервала составит

t_PVV = 16 + 11 + 8 + 8 = 43,

что меньше предельной величины 49 битовых интервалов. Следовательно, данная конфигурация и по этому показателю будет работоспособна.

Вычисления для обратного направления по этому же пути дадут в данном случае тот же результат, так как начальный сегмент 10BASE-T даст ту же величину, что и начальный сегмент 10BASE2 (16 битовых интервалов), а все промежуточные сегменты останутся промежуточными.