Fast Ethernet и 100VG-AnyLan

История

Классический 10-мегабитный Ethernet устраивал большинство пользователей около 15 лет. Однако в начале 90-х годов начала ощущаться его недо­статочная пропускная способность. Назрела необходимость в разработке технологии, которая была бы такой же эффективной по соотношению цена/качество при про­изводительности 100 Мбит/с. В результате поисков и исследований специалисты разделились на два лагеря, что привело к появлению двух новых технологий — Fast Ethernet и 100VG-AnyLAN. Они отличаются степенью преем­ственности с классическим Ethernet.

В 1992 году группа производителей сетевого оборудования образовали неком­мерческое объединение Fast Ethernet Alliance для разработки стандарта новой технологии, которая должна была в максимально возможной степени сохранить особенности технологии Ethernet.

Второй группу возглавили компании Hewlett-Packard и AT&T, которые предло­жили устранить некоторые недостатки технологии Ethernet. Через некоторое время к этим компаниям при­соединилась компания IBM, которая предложила обеспечить в новой технологии некоторую совместимость с сетями Token Ring.

В комитете IEEE 802 была сформирована исследова­тельская группа для изучения технического потенциала новых высокоскоростных технологий. За период с конца 1992 года и по конец 1993 года группа IEEE изучи­ла 100-мегабитные решения, предложенные различными производителями. Наряду с предложениями Fast Ethernet Alliance группа рассмотрела также и высокоскоро­стную технологию, предложенную компаниями Hewlett-Packard и AT&T.

В центре дискуссий была проблема сохранения случайного метода доступа CSMA/CD. Fast Ethernet Alliance предлагал сохранить этот метод и тем самым обеспечить преемственность и согласованность сетей 10 Мбит/с и 100 Мбит/с. HP и AT&T предложили новый метод доступа, названный Demand Priority — приоритетный доступ по требованию. Он существенно менял картину поведения узлов в сети, поэтому не вписывался в технологию Ethernet и стандарт 802.3. 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 представляет собой дополнение к существую­щему стандарту 802.3. Комитет 802.12 принял технологию 100VG-AnyLAN, которая использует новый метод доступа Demand Priority и поддерживает кадры двух форматов — Ethernet и Token Ring.

Отличия технологии Fast Ethernet от оригинального Ethernet

Все отличия технологии Fast Ethernet от Ethernet сосредоточены на физическом уровне. Уровни MAC и LLC в Fast Ethernet остались абсолютно теми же. Более сложная структура физического уровня технологии Fast Ethernet обусловлена тем, что в ней используются три варианта кабельных систем:

Ø волоконно-оптический многомодовый кабель – используются два волокна;

Ø витая пара категории 5 – используются две пары;

Ø витая пара категории 3 – используются четыре пары.

Коаксиального кабеля нет в числе разрешен­ных сред передачи данных технологии Fast Ethernet. Это общая тенденция многих новых технологий, поскольку на небольших расстояниях витая пара категории 5 позволяет передавать данные с той же скоростью, что и коакси­альный кабель, но сеть получается более дешевой и удобной в эксплуатации. На больших расстояниях оптическое волокно обладает более широкой поло­сой пропускания, чем коаксиальный кабель, а стоимость сети получается ненамного выше, особенно если учесть высокие затраты на поиск и устранение неисправностей в круп­ной кабельной коаксиальной системе.

Отказ от коаксиального кабеля привел к тому, что сети Fast Ethernet всегда имеют иерархическую древовидную структуру, построенную на концентраторах, как и сети 10Base-T/10Base-F. Основным отличием конфигураций сетей Fast Ethernet является сокращение диаметра сети примерно до 200 м, что объясняется уменьше­нием времени передачи кадра минимальной длины в 10 раз за счет увеличения скорости передачи в 10 раз по сравнению с 10-мегабитным Ethernet. Но это обстоятельство не препятствует построению крупных сетей по технологии Fast Ethernet. При использовании коммутаторов протокол Fast Ethernet может работать в полнодуплексном режиме, в котором нет ограничений на общую длину сети, а остаются только ограничения на длину физических сегментов, соединяющих соседние устройства (адаптер - ком­мутатор или коммутатор - коммутатор). Поэтому при создании магистралей ло­кальных сетей большой протяженности технология Fast Ethernet активно применяется, но только в полнодуплексном варианте, совместно с коммутаторами.

Здесь рассматривается полудуплексный вариант работы техноло­гии Fast Ethernet, который полностью соответствует определению метода доступа, описанному в стандарте 802.3.

По сравнению с шестью вариантами физической реализации Ethernet в Fast Ethernet отличия каждого варианта от других глубже – меняет­ся как количество проводников, так и методы кодирования. А так как физические варианты Fast Ethernet создавались одновременно, а не эволюционно, как для се­тей Ethernet, то имелась возможность детально определить те подуровни физичес­кого уровня, которые не изменяются от варианта к варианту, и те подуровни, которые специфичны для каждого варианта физической среды.

Официальный стандарт 802.3u установил три различных спецификации для физического уровня Fast Ethernet и дал им следующие названия:

Ø 100Base –TX для двухпарного кабеля на UТР ка­тегории 5 или STP Туре 1;

Ø 100Base –T4 для четырехпарного кабеля на UTP категории 3, 4 или 5;

Ø 100Base – FX для многомодового оптоволоконного кабеля, используются два во­локна (62,5/125 мкм).

Сеть использует топологию звезда и всегда имеет иерархическую структуру. Максимальный диаметр сети – 210 м. Для увеличения диаметра следует использовать не концентраторы, а более сложные устройства.

Для всех спецификаций определены следующие общие параметры:

Ø Форматы кадров технологии Fast Ethernet не отличаются от форматов кадров технологий 10-мегабитного Ethernet;

Ø Межкадровый интервал равен 0,96 мкс, а битовый интервал – 10 нс;

Ø Признаком свободного состояния среды является передача по ней символа Idle соответствующего избыточного кода, а не отсутствие сигналов;

Ø Значения всех временных параметров алгоритма, измеренные в битовых интервалах, не изменились.

Спецификации 100Base-TX, 100Base-FX

Ø 100Base-TX

q максимальная длина кабеля – 100 м,

q реализован механизм переговоров, позволяющий двум устройствам выбрать наиболее выгодный режим работы,

q метод кодирования – 4B/5B+MLT-3.

Ø 100Base-FX

q максимальная длина кабеля (полудуплексный режим) – 412 м,

q максимальная длина кабеля (полнодуплексный режим) – 2000 м,

q метод кодирования – 4B/5B + NRZi.

Ø Спецификация 100Base-T4

q метод кодирования – 8B/6T,

q передача ведется по трем парам (1-2, 4-5 и 7-8),

q четвертая пара (3-6) используется для обнаружения коллизий.

Повторители

Повторители Fast Ethernet бывают двух классов.

Ø Класс I – поддерживают оба типа логического кодирования – 4B/5B и 8B/6T, могут иметь порты всех трех типов, вносят большую задержку из-за необходимости трансляции типов логического кодирования.

Ø Класс II – поддерживают только какой-либо один тип логического кодирования, могут иметь либо порты типа 100Base-T4, либо порты типов 100Base-TX и 100Base-FX.

В одной сети допускается наличие только одного повторителя класса I, либо наличие двух повторителей класса II, причем они должны быть соединены кабелем длиной не более 5 м. В действительности, при построении сетей Fast Ethernet обычно используются не повторители, а более сложные устройства – коммутаторы и маршрутизаторы.

Технология Fast Ethernet при работе на витой паре позволяет за счет процеду­ры автопереговоров двум портам выбирать наиболее эффективный режим ра­боты – скорость 10 Мбит/с или 100 Мбит/с, а также полудуплексный или полнодуплексный режим.

Особенности технологии 100VG-AnyLAN

Технология 100VG-AnyLAN отличается от классического Ethernet в значительно большей степени, чем Fast Ethernet. Основные отличия:

Ø используется метод доступа Demand Priority, обеспечивающий более справедливое распределение пропускной способности сети по сравнению с ме­тодом CSMA/CD. Этот метод поддерживает также приоритетный доступ для синхронных приложений;

Ø кадры передаются не всем станциям сети, а только станции назначения;

Ø в сети есть выделенный арбитр доступа – концентратор. Это отличает данную технологию от других, применяющих распределенный алгоритм доступа;

Ø поддерживаются кадры двух технологий – Ethernet и Token Ring (это обстоятельство и дало добавку Any LAN в названии технологии);

Ø данные передаются одновременно по 4 парам кабеля UTP категории 3. По каж­дой паре данные передаются со скоростью 25 Мбит/с. В отличие от Fast Ethernet в сетях 100VG-AnyLAN нет коллизий, поэтому удалось использовать для передачи все четыре пары стандартного ка­беля категории 3. Для кодирования данных применяется код 5В/6В, который обеспечивает спектр сигнала в диапазоне до 16 МГц, что соответствует полосе пропускания UTP категории 3, при скорости передачи данных 25 Мбит/с.

Метод доступа Demand Priority основан на передаче концентратору функций арбитра, решающего проблему доступа к разделяемой среде. Сеть 100VG-AnyLAN состоит из корневого концентратора и соединен­ных с ним оконечных узлов и других концентраторов.

Допускаются три уровня каскадирования. Каждый концентратор и сетевой адап­тер 100VG-AnyLAN должен быть настроен либо на работу с кадрами Ethernet, либо с кадрами Token Ring. Циркуляция обоих типов кадров не допускается.

Концентратор циклически выполняет опрос портов. Станция, желающая передать пакет, посылает специальный низкочастотный сигнал концентратору, запрашивая передачу кадра и указывая его приоритет. Используются два уровня приоритетов – высокий и низкий. Низкий уровень приоритета соответ­ствует обычным данным (файловая служба, служба печати и т. п.), а высокий приоритет – данным, чувствительным к временным задержкам (например, мультимедиа). Приоритеты запросов имеют статическую и динамическую состав­ляющие, то есть станция с низким уровнем приоритета, долго не имеющая доступа к сети, получает высокий приоритет.

Если сеть свободна, то концентратор разрешает передачу пакета. После анализа адреса получателя в принятом пакете концентратор автоматически отправляет пакет станции назначения. Если сеть занята, концентратор ставит полученный запрос в очередь, которая обрабатывается в соответствии с порядком поступления запросов и с учетом приоритетов. Если к порту подключен другой концентратор, то опрос при­останавливается до завершения опроса концентратором нижнего уровня. Станции, подключенные к концентраторам различного уровня иерархии, не имеют преимуществ по доступу к разделяемой среде, так как решение о предоставлении доступа принимается после проведения опроса всеми концентраторами опроса всех своих портов.

А каким образом концентратор узнает, к какому пор­ту подключена станция назначения? Во всех других технологиях кадр просто пере­давался всем станциям сети, а станция назначения, распознав свой адрес, копировала кадр в буфер. Здесь для решения этой задачи концентратор узнает MAC-адрес станции в момент физического присоединения ее к сети кабелем. Если в других технологиях процедура физического соединения выясняет связность кабеля (техно­логия 10Base-T), тип порта (технология FDDI), скорость работы порта (процедура в Fast Ethernet), то в технологии 100VG-AnyLAN концентратор при установлении физического соединения выясняет MAC-адрес станции. И запоминает его в таблице адресов MAC, аналогичной таблице моста/коммутатора. Отли­чие концентратора 100VG-AnyLAN от моста/коммутатора состоит в том, что у него нет внутреннего буфера для хранения кадров. Поэтому он принимает от станций сети только один кадр, отправляет его на порт назначения и, пока этот кадр не будет полностью принят станцией назначения, новые кадры концентратор не принимает. Так что эффект разделяемой среды сохраняется. Улучшается только безопасность сети – кадры не попадают на чужие порты, и их труднее перехватить.

Важная особенность технологии 100VG-AnyLAN – сохранение форматов кад­ров Ethernet и Token Ring. Сторонники 100VG-AnyLAN утверждают, что этот под­ход облегчит межсетевое взаимодействие через мосты и маршрутизаторы.