Правила топологии Fast Ethernet

Победив в конкурентной борьбе со 100VG-AnyLAN технология Fast Ethernet стала в настоящее время стандартом де-факто для передачи данных в локальных сетях со скоростью 100 Мбит/с.

Со времени принятия стандарта Fast Ethernet прошло три года. За этот период новая технология проделала гигантский путь. Продаваемые сегодня (в том числе и в России) серверы комплектуются в большинстве своем даже не платами Ethernet на 10/100, а просто платами 100BaseT. Оборудование подешевело настолько, что установка сети 10BaseT дает лишь небольшой выигрыш в затратах при на порядок худшей производительности. Все это позволяет говорить, что Fast Ethernet становится фактически стандартом для современных локальных сетей. Ввиду значимости этой технологии мы решили напомнить читателям о заложенных в ней принципах, несмотря на то что ранее LAN уже публиковал материал на эту тему (см. статью Ли Че под названием "Fast Ethernet" в февральском номере за 1996 год). В этой статье мы рассмотрим такие не нашедшие своего отражения в предыдущей публикации моменты, как правила топологии, виды повторителей и др.

СХОДСТВА И РАЗЛИЧИЯ

Стандарт 100BaseT является прямым наследником 10BaseT. Он использует тот же метод доступа к среде CSMA/CD и тот же формат кадров, что и его предшественник. Иногда даже говорят, что Fast Ethernet - это тот же Ethernet, только в десять раз быстрее. Однако это не совсем так, причем некоторые различия - например в диаметре, или протяженности, сетевого сегмента - проистекают из сходства применяемых протоколов.

Как и Ethernet, его быстрый аналог определен для целого ряда кабелей, в том числе витой пары Категорий 3, 4, 5 и многомодового и одномодового волоконно-оптического кабеля. Однако в этом списке вы не найдете ни толстого, ни тонкого коаксиального кабеля. Это связано с тем, что коаксиал был практически вытеснен кабелем с витыми парами. Отказ от коаксиальных кабелей предопределил еще одно отличие между двумя технологиями: 100BaseT предусматривает только физическую топологию "звезда", хотя логически это по-прежнему "шина".

Максимальный диаметр сегмента Fast Ethernet значительно меньше, чем у Ethernet. Это ограничение связано с тем, что при сохранении минимальной длины кадра и увеличении скорости передачи на порядок коллизию можно обнаружить только при соответствующем уменьшении протяженности домена коллизий.

Кроме того, правила топологии для этих двух технологий сильно отличаются. Так, например, сегмент Fast Ethernet имеет всего один или два повторителя в зависимости от его типа, в то время как в Ethernet это число может равняться четырем. (Более подробно правила топологии мы рассмотрим несколько ниже.)

Наконец, на физическом уровне 100BaseT использует совершенно иные методы передачи сигналов: так, вместо манчестерского кодирования 100BaseTX/FX использует так называемое кодирование 4B/5B, а 100BaseT4 - 8B/6T, поэтому они не совместимы с 10BaseT. В принципе если плата/концентратор поддерживает автосогласование, то она/он может определить факт подключения к концентратору/плате по 10BaseT, но это отнюдь не означает совместимости между 10BaseT и 100BaseT на физическом уровне - просто устройство на 10/100 Мбит/с работает в соответствующем режиме.

ПОВТОРИТЕЛИ КЛАССА I И II

Стандарт 802.3u (именно этот номер был присвоен 100BaseT) определяет два типа повторителей (концентраторов) - Класса I и Класса II. Повторители работают на физическом уровне. Они принимают электрический сигнал, регенерируют его (восстанавливают его форму) и передают на все порты (кроме того, через который сигнал был получен). Эта процедура сопряжена с небольшой задержкой. Ее максимальная величина для каждого класса точно определена стандартом. Повторители не производят буферизации кадра (т. е. не ожидают завершения его передачи) и передают сигнал на все порты сразу по его поступлении. Порты повторителя связаны шиной.

Одно из различий между повторителями двух классов состоит в их конструкции. Повторители Класса I полностью декодируют аналоговый сигнал и преобразуют его в цифровую форму, прежде чем передавать на другие порты. Они могут иметь порты 100BaseT4, 100BaseTX, 100BaseFX или любую их комбинацию. По этой причине они называются иногда транслирующими повторителями. Повторители Класса II направляют поступивший на один из портов аналоговый сигнал непосредственно на все остальные порты без преобразования его в цифровой вид. Они могут иметь порты только одного вида (100BaseT или 100BaseTX/FX). Повторители Класса II имеют меньшую задержку, чем повторители Класса I, ввиду меньших накладных расходов на продвижение пакета с одного порта на другой. Различие между повторителями проявляется также в том, что один сегмент сети Fast Ethernet может содержать только один повторитель Класса I или два повторителя Класса II, причем один и тот же сегмент не может иметь повторители обоих типов.

Повторители Класса II могут быть соединены друг с другом при помощи кабеля, правда, его протяженность не может превышать 5 м. Один конец связующего кабеля подключается к специальному порту повторителя - так называемому порту для каскадирования (uplink port), а другой - к обычному порту на втором концентраторе (см. Рисунок 1). Обычный порт повторителя имеет интерфейс MDI-X, в то время как порт для каскадирования имеет тот же интерфейс, что и сетевая плата - MDI. Некоторые модели повторителей предусматривают возможность переключения с интерфейса MDI-X на MDI, и обратно. Таким образом, порт для каскадирования может использоваться в качестве обычного порта повторителя, если он не задействован для подключения другого концентратора. Повторители этого типа имеют весьма жесткое ограничение на время задержки, поэтому производить их намного сложнее, а общее число портов, как правило, не превышает 24-36 штук. По сути они имеют лишь одно реальное преимущество над повторителями Класса I: ввиду незначительности задержки они позволяют подключать рабочие станции по более длинным отрезкам кабеля.

НАРАЩИВАЕМЫЕ КОНЦЕНТРАТОРЫ

Концентраторы можно наращивать посредством установки в стек или в шасси. Стековый концентратор можно рассматривать как повторитель с предусмотренной в нем возможностью расширения. Стековые концентраторы создаются обычно на основе повторителей Класса I, так как упомянутые ограничения на время задержки долгое время затрудняли создание стековых концентраторов на основе повторителей Класса II. Они состоят из нескольких независимых устройств, вообще говоря, с произвольным числом портов каждое. Помимо обычных портов такой повторитель имеет внешнее соединение для подключения других повторителей. Как и обычный повторитель, стековый концентратор является разделяемым устройством, поэтому чем больше портов, тем меньше доступная каждому из них пропускная способность.

Архитектура стекового концентратора представлена на Рисунке 2. Через порт А пришедший кадр поступает на нижнее устройство в стеке. Как и в случае обычного автономного повторителя, кадр передается на все порты в этом устройстве, а также в объединительную шину стекового концентратора (В), по которой он передается на следующее устройство в стеке (С). Процесс повторяется, пока кадр не будет передан всем устройствам стека. Таким образом, объединенные в стек повторители действуют как один большой расширяемый повторитель.

Купив один концентратор с требуемым числом портов, администратор может потом постепенно наращивать его по мере необходимости. Такая расширяемость вкупе с невысокой ценой за порт делает стековые концентраторы весьма привлекательными устройствами для создания разделяемой сети Fast Ethernet. Однако стековые концентраторы наращиваются не до бесконечности. В первую очередь это ограничение касается максимального количества повторителей в стеке. Высота стека во многом зависит от объединительной шины и, как правило, не превышает восьми устройств. Как правило, добавление очередного устройства в стек сокращает эффективный сетевой диаметр на 10 м. Таким образом, стек из восьми повторителей соответствует 80 м кабеля из витой пары.

Концентраторы в виде шасси представляют собой корпус с контактной панелью и несколькими слотами для установки модулей, причем зачастую последними могут быть повторители, мосты, коммутаторы, маршрутизаторы не только для Ethernet, Fast Ethernet, но и для других технологий типа Token Ring, FDDI, т. е. они являются своеобразными "концентраторами концентраторов". Они характеризуются высокой отказоустойчивостью, расширяемостью, модернизируемостью и, как следствие, высокой ценой.

МАКСИМАЛЬНЫЙ ДИАМЕТР СЕТИ

Электрическому сигналу требуется некоторое время для прохождения по кабелю. Каждый повторитель вносит свою задержку: она определяется разницей между временем поступления сигнала и временем передачи ресинхронизированного сигнала через все порты повторителя. Наконец, сетевой плате требуется время на обработку кадра. Общая задержка распространения складывается из задержки на сетевой плате, в кабеле и на концентраторе. Как уже говорилось, минимальный размер кадра в Fast Ethernet тот же самый, что и в Ethernet, поэтому задержка распространения предопределяет уменьшение максимального диаметра сегмента с 2500 до 205 м (двухсот пяти!), т. е. на порядок.

Задержка в кабеле при 100 Мбит/с та же, что и при 10 Мбит/с, она составляет 0,55 мкс в одном направлении на отрезке 100 м в случае кабеля UTP. Повторители на 100 Мбит/с передают сигналы несколько быстрее, чем их 10-мегабитные аналоги, - задержка составляет от 0,35 до 0,7 мкс в зависимости от класса повторителя. Сетевая плата вносит задержку 0,25 мкс. Сложив все эти задержки и умножив на два, мы получаем задержку распространения сигнала от одного крайнего узла до другого, и обратно. Эта величина должна быть меньше, чем 5,12 мкс - время передачи кадра минимального размера со скоростью 100 Мбит/с, в соответствии с формулой:

2 * (задержка на повторителе + задержка в кабеле + задержка на MAU )< 5,12 мкс

Отсюда видно, что 100BaseT позволяет иметь два отрезка кабеля из витой пары длиной 100 м и один, максимум два, повторитель.

ТОПОЛОГИЧЕСКИЕ ПРАВИЛА

Стандарт предусматривает два набора топологических правил организации коллизионного домена, называемых моделями. Правила модели 1 предполагают, что все компоненты - сетевые интерфейсы, кабель, концентраторы - вносят наибольшую допустимую стандартом задержку. Правила модели 2 учитывают реальную задержку распространения и позволяют создавать сегмент большей протяженности, но они значительно сложнее и применяются только, когда требуется создать сегмент с диаметром, близким к предельному.

В свою очередь, правила модели 1 предусматривают три рекомендуемые конфигурации коллизионного домена, при этом все они должны удовлетворять следующим общим ограничениям:

• " протяженность любого отрезка медного кабеля из витой пары Категории 3, 4 или 5 не должна быть больше 100 м;
• " протяженность любого отрезка волоконно-оптического кабеля не должна превосходить 412 м.

Первая конфигурация состоит из связанных напрямую двух узлов. Узлом может быть любой компонент сети, такой как рабочая станция, принтер, коммутатор и т. д., за исключением концентратора. Вторая конфигурация включает только один повторитель Класса I или II, а третья конфигурация включает два повторителя Класса II (напомним, что они соединяются по медному кабелю длиной не более 5 м). Топологические правила для второй и третьей конфигураций проиллюстрированы на Рисунке 3.

Если максимальная длина отрезка медного кабеля в любом случае равна 100 м, то протяженность волоконно-оптического кабеля зависит от того, какие порты имеет повторитель (TX или T4) и к какому классу он принадлежит. Кроме того, если реальная длина отрезка кабеля из витой пары меньше ста метров, то длину отрезка волоконно-оптического кабеля можно пропорциональным образом увеличить. Общее правило таково - с уменьшением длины максимального отрезка медного кабеля на 1 м отрезок волоконно-оптического кабеля можно удлинить на 1,19 м.

СЛЕДУЮЩИЙ ВИТОК

Быстрый Ethernet постепенно вытесняет своего предшественника из локальных сетей. Но, как и он, Fast Ethernet является разделяемой технологией, поэтому при увеличении числа узлов в сегменте даже эта возросшая пропускная способность быстро исчерпывается, особенно в случае мультимедийного трафика. Кроме того, Fast Ethernet налагает достаточно жесткие ограничения на диаметр сетевого сегмента. Оба эти ограничения преодолимы с помощью коммутации Ethernet. Она позволяет предоставить каждому узлу, например серверу, выделенный канал на 100 Мбит/с. Однако более подробно мы поговорим о коммутации в следующий раз.