Алгоритм доступа к сети
7.1.1. Алгоритм доступа к сети
На Рисунок 7.1 показана структурная схема алгоритма доступа к сети в соответствии с методом CSMA/CD для одного из абонентов, имеющих данные (кадры) для передачи.
В начале из кадра, предназначенного для передачи, абонент (узел) формирует пакет. Далее при обозначении блоков информации, передаваемых по сети при использовании алгоритма CSMA/CD, понятия «кадр» и «пакет» не различаются, что не совсем правильно, но соответствует сложившейся практике.
Если после подготовки пакета сеть свободна, то абонент (узел) может начать передачу. Но сначала он должен проверить, прошло ли минимально допустимое время IPG после предыдущей передачи (блок 1 на рисунке). Только после окончания времени IPG абонент может начать передачу битов своего пакета (блок 2 на рисунке).
После передачи каждого бита абонент поверяет наличие конфликта (коллизии) в сети. Если коллизий нет, передача битов продолжается до окончания пакета (блок 4 на рисунке). В этом случае считается, что передача прошла успешно.
Циклические коды (CRC)
7.2.3. Циклические коды (CRC)
Циклические коды - это целое семейство помехоустойчивых кодов, вклю чающее в себя в качестве одной из разновидностей коды Хэмминга, но : целом обеспечивающее большую гибкость с точки зрения возможност] реализации кодов с необходимой способностью обнаружения и исправ ления ошибок, определяемой параметром d0, по сравнению с кодами Хэм минга (для которых dQ=3 или d0=4). Широкое использование цикличес ких кодов на практике обусловлено также простотой реализаци соответствующих кодеров и декодеров.
Основные свойства и само название циклических кодов связаны с те!\ что все разрешенные комбинации бит в передаваемом сообщении (коде вые слова) могут быть получены путем операции циклического сдвиг некоторого исходного кодового слова:
Алгоритмы сети Ethernet/Fast Ethernet
Глава 7. Алгоритмы сети Ethernet/Fast Ethernet
Характеристики и разновидности помехоустойчивых кодов
7.2.2. Характеристики и разновидности помехоустойчивых кодов
Помехоустойчивое кодирование предполагает введение в передаваемое сообщение, наряду с информационными, так называемых проверочных разрядов, формируемых в устройствах защиты от ошибок (кодерах-на передающем конце, декодерах — на приемном). Избыточность позволяет отличить разрешенную и запрещенную (искаженную за счет ошибок) комбинации при приеме, иначе одна разрешенная комбинация переходила бы в другую.
Помехоустойчивый код характеризуется тройкой чисел (n, k, d0), где n— общее число разрядов в передаваемом сообщении, включая проверочные (г), k=n-r - число информационных разрядов, d0— минимальное кодовое расстояние между разрешенными кодовыми комбинациями, определяемое как минимальное число различающихся бит в этих комбинациях. Число обнаруживаемых (tj и (или) исправляемых (t ) ошибок (разрядов) связано с параметром d0 соотношениями
Иногда используются дополнительные показатели избыточности, производные от приведенных выше характеристик n, k:R = r/n- относительная избыточность, v = k / n - относительная скорость передачи.
Существующие помехоустойчивые коды можно разделить на ряд групп, только часть из которых используется для обнаружения ошибок в передаваемых по сети пакетах (на Рисунок 7.3 используемые для этой цели группы выделены утолщенными стрелками). В группе систематических (линейных) кодов общим свойством является то, что любая разрешенная комбинация может быть получена в результате линейных операций над линейно-независимыми векторами. Это способствует упрощению аппаратной и программной реализации данных кодов, повышает скорость выполнения необходимых операций.
Использование помехоустойчивых кодов для обнаружения ошибок в сети
7.2. Использование помехоустойчивых кодов для обнаружения ошибок в сети
Сигналы, непосредственно передаваемые по последовательным линиям (типа витой пары, коаксиального кабеля или телефонной линии), подвержены влиянию ряда факторов, воздействие которых может привести к возникновению ошибок в принятой информации. Ошибки могут возникать вследствие влияния на канал связи наводок и помех естественного или искусственного происхождения, а также вследствие изменения конфигурации системы передачи информации с временным нарушением или без нарушения целостности канала связи (например, в случае подключения новых абонентов к существующей локальной информационной сети).
Некоторые из ошибок могут быть обнаружены на основании анализа вида принятого сигнала, так как в нем появляются характерные искажения. Примером может служить код Манчестер-П, используемый в сетях Ethernet. На передающем конце линии этот код обязательно содержит переход с низкого электрического уровня на высокий или обратно в середине каждого тактового интервала, требуемого для передачи одного бита информации. Он также имеет среднюю составляющую, близкую к нулю. Эти свойства кода Манчестер-П могут использоваться для обнаружения разного рода ошибок. В частности, отличие средней составляющей сигнала от нуля является одним из признаков возникновения коллизий (наложений пакетов от разных абонентов), характерных для метода доступа CSMA/CD в сетях типа Ethernet. Однако сколько-нибудь серьезную систему обнаружения ошибок, вызванных воздействием помех с непредсказуемым поведением, на этой основе построить невозможно.
Стандартные протоколы обмена информации в сетях предусматривают введение обязательного поля для размещения помехоустойчивого (корректирующего) кода. Если в результате обработки принятого пакета обнаружится несоответствие принятого и вновь вычисленного помехоустойчивого кода, с большой долей вероятности можно утверждать, что среди принятых бит имеются ошибочные. Передачу такого пакета нужно будет повторить (в расчете на случайный характер помех).
<
Классификация помехоустойчивых кодов
Рисунок 7.3. Классификация помехоустойчивых кодов
Простейшими систематическими кодами являются биты четности/нечетности. Они не позволяют обнаружить ошибки четной кратности (т.е. ошибки одновременно в двух, четырех и т.д. битах) и поэтому используются при невысоких требованиях к верности принимаемых данных (или при малой вероятности ошибок в линии передачи). Примером может служить бит Parity (соответствие) в установках режимов работы последовательного порта с помощью команды MODE (MS DOS). Несмотря на ограниченные возможности обнаружения ошибок, биты четности/нечетности имеют большое значение в теории помехоустойчивого кодирования. Одни иг первых математически обоснованных и практически использовании? помехоустойчивых кодов - коды Хэмминга представляют собой простс совокупность перекрестных проверок на четность/нечетность. Циклические коды могут рассматриваться как обобщенные проверки на четность/ нечетность (см. далее).
<
Метод управления обменом CSMA/CD
7.1. Метод управления обменом CSMA/CD
В данной главе мы рассмотрим подробнее два основных алгоритма, применяемых в самой распространенной на сегодняшний день сети Ethernet/ Fast Ethernet. Речь идет о методе управления обменом (методе доступа) CSMA/CD и о методе вычисления циклической контрольной суммы пакета CRC.
Эти же самые алгоритмы используются во многих других локальных сетях. Например, метод доступа CSMA/CD применяется в сетях IBM PC Network, AT&T Starlan, Corvus Omninet, PC Net, G-Net и др. Что касается алгоритма вычисления циклической контрольной суммы CRC, то он стал фактическим стандартом для любых локальных сетей. Так что все, о чем говорится в данной главе, относится ко многим локальным сетям.
Как уже говорилось в главе 3, метод управления обменом CSMA/CD (Carrier-Sense Multiple Access with Collision Detection - множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий) относится к децентрализованным случайным (точнее, квазислучайным) методам. Он используется как в обычных сетях типа Ethernet, так и в высокоскоростных сетях типа Fast Ethernet. Поскольку характеристики и области применения этих популярных на практике сетей связаны именно с особенностями используемого метода доступа, его стоит рассмотреть более подробно.
Сначала чуть подробнее о названии метода. В ранней сети типа Alohanet, работавшей с 1970 г. на Гавайских островах, использовался радиоканал и установленный на спутнике ретранслятор (отсюда слово «несущая» в названии метода), а также сравнительно простой метод доступа CSMA (без обнаружения коллизий). В сетях типа Ethernet и Fast Ethernet в качестве несущей выступает синхросигнал, «подмешиваемый» к передаваемым данным таким образом, чтобы обеспечить надежную синхронизацию на приемном конце за счет организации (при необходимости) дополнительных принудительных переходов сигнала между двумя (как в коде Ман-честер-П) или тремя электрическими уровнями (как в коде типа 8В6Т, используемом в сегменте Fast Ethernet 100BaseT4 на основе четырех неэкранированных витых пар). По сравнению с классическим методом CSMA в методе CSMA/CD добавлено обнаружение конфликтов (коллизий) во время передачи, что повышает надежность доставки информации.
При описании временных диаграмм сетей типа Ethernet и Fast Ethernet, а также предельных размеров пакетов (кадров) широко используются следующие термины.
IPG (interpacket gap, межпакетная щель) - минимальный промежуток времени между передаваемыми пакетами (9,6 мкс для Ethernet/0,96 мкс для Fast Ethernet). Другое название — межкадровый интервал.
ВТ (Bit Time, время бита) - интервал времени для передачи одного бита (100 не для Ethernet/ 10 не для Fast Ethernet).
PDV (Path Delay Value, значение задержки в пути) — время прохождения сигнала между двумя узлами сети (круговое, то есть удвоенное). Учитывает суммарную задержку в кабельной системе, сетевых адаптерах, повторителях и других сетевых устройствах.
Collision window (окно коллизий) - максимальное значение PDV для данного сегмента.
Collision domain (область коллизий, зона конфликта) - часть сети, на которую распространяется ситуация коллизии, конфликта.
Slot time (время канала) - максимально допустимое окно коллизий для сегмента (512 ВТ).
Minimum frame size - минимальный размер кадра (512 бит, или 64 байта).
Maximum frame size - максимальный размер кадра (1518 байт).
Maximum network diameter (максимальный диаметр сети) -максимальная допустимая длина сегмента, при которой его окно коллизий не превышает slot time, времени канала.
Truncated binary exponential back off (усеченная двоичная экспоненциальная отсрочка) — задержка перед следующей попыткой передачи пакета после коллизии (допускается максимум 16 попыток). Вычисляется она по следующей формуле:
RAND(0, 2min<N-IO>) • 512 • ВТ,
где N - значение счетчика попыток, RAND(a, b) — генератор случайных нормально распределенных целых чисел в диапазоне а...Ь, включая крайние значения. Дискрет изменения данного параметра равен минимальной длине пакета или максимально допустимой двойной задержке распространения сигнала в сети (PDV).
<
Оценка производительности сети
7.1.2. Оценка производительности сети
Вопрос об оценке производительности сетей, использующих случайный метод доступа CSMA/CD, не очевиден из-за того, что существуют несколько различных показателей. Прежде всего, следует упомянуть три связанные между собой показателя, характеризующие производительность сети в идеальном случае - при отсутствии коллизий и при передаче непрерывного потока пакетов, разделенных только межпакетным интервалом IPG. Очевидно, такой режим реализуется, если один из абонентов активен и передает пакеты с максимально возможной скоростью. Неполное использование пропускной способности в этом случае связано, кроме существования интервала IPG, с наличием служебных полей в пакете Ethernet (см. Рисунок 7.2).
Пакет максимальной длины является наименее избыточным по относительной доле служебной информации. Он содержит 12304 бит (включая интервал IPG), из которых 12000 бит являются полезными данными.
Поэтому максимальное скорость передачи пакетов (или, иначе, скорость в кабеле - wire speed) составит в данном случае
108 бит/с / 12304 бит = 8127,44 пакет/с.
Пропускная способность представляет собой скорость передачи полезной информации и в данном случае составит
8127,44 пакет/с • 1500 байт = 12,2 Мбайт/с.
Наконец, эффективность использования физической скорости передачи сети, в случае Fast Ethernet равной 100 Мбит/с, по отношению только к полезным данным составит
8127,44 пакет/с • 12000 бит / 10е бит/с = 98 %.
При передаче пакетов минимальной длины (с учетом интервала IPG -84 • 8 = 672 бит, из которых только 46 • 8 = 368 бит несут полезную информацию) возрастает скорость в кабеле (148809,52 пакет/с вместо 8127,44 пакет/с), что означает всего лишь факт передачи большого числа коротких пакетов. В то же время пропускная способность (6,8 Мбайт/с вместо 12,2 Мбайт/с) и эффективность (55% вместо 98 %) заметно ухудшаются.
Для реальных сетей типа Fast Ethernet с большим числом активных абонентов N пропускная способность на уровне 12,2 Мбайт/с для какого-либо абонента является пиковым, редко реализуемым значением.
При одинаковой активности всех абонентов средняя пропускная способность для каждого из них составит 12,2/N Мбайт/с, а на самом деле может оказаться еще меньше из-за возникновения коллизий, ошибок в работе сетевого оборудования и влияния помех (в случае работы локальной сети в условиях, когда кабельная система подвержена влиянию больших внешних электромагнитных наводок). Влияние помех, так же как и поздних конфликтов (late collision) в некорректных сетях, отслеживается с помощью анализа поля FCS пакета.
Для реальных сетей более информативен такой показатель производительности, как показатель использования сети (network utilization), который представляет собой долю в процентах от суммарной пропускной способности (не поделенной между отдельными абонентами). Он учитывает коллизии и другие факторы. Ни сервер, ни рабочие станции не содержат средств для определения показателя использования сети, для этого предназначены специальные, не всегда доступные, из-за высокой стоимости аппаратно-программные средства типа анализаторов протоколов.
Считается, что для загруженных систем Ethernet и Fast Ethernet хорошим значением показателя использования сети является 30%. Это значение соответствует отсутствию длительных простоев в работе сети и обеспечивает достаточный запас в случае пикового повышения нагрузки. Однако если показатель использования сети значительное время составляет 80...90% и более, то это свидетельствует о практически полностью используемых (в данное время) ресурсах, но не оставляет резерва на будущее. Впрочем, для реальных сетей типа Fast Ethernet это скорее гипотетическая ситуация.
На Рисунок 7.2 приведена зависимость показателя использования сети от времени при условии, что предложенная нагрузка (offered load), т.е. текущий запрос на пропускную способность, линейно возрастает. Сначала показатель использования сети также линейно возрастает, но затем конкуренция за владение средой передачи порождает коллизии и рассматриваемый показатель достигает максимума (точка полной нагрузки на графике).При дальнейшем увеличении предложенной нагрузки показатель использования сети начинает уменьшаться, особенно резко после точки насыщения. Это «плохая» область работы сети. Считается, что сеть работает хорошо, если и предложенная нагрузка, и показатель использования сети высоки.
Пример формирования циклического кода (сигнал обратной связи отличен от нуля на 5-м и б-м тактах)
Рисунок 7.4. Пример формирования циклического кода (сигнал обратной связи отличен от нуля на 5-м и б-м тактах)
На первых восьми тактах ключ Кл. находится в верхнем положении и формируются проверочные разряды. Затем ключ Кл. устанавливается в
нижнее положение, что соответствует разрыву цепей обратных связей и передаче непосредственно в канал связи или на модулятор проверочных разрядов. Для временного хранения информационной части сообщения с целью последующей ее передачи вместе с проверочными разрядами кодер, очевидно, должен быть дополнен сдвиговым регистром длиной в k разрядов, ключами и соответствующими цепями управления. Однако, в целом, аппаратурные затраты при реализации кодеров в случае циклических кодов невелики - общее число триггеров и элементов М2 (исключая регистр временного хранения информационной части сообщения) не превышает 2 г и не зависит от длины информационной части сообщения.
Двухвходовый элемент М2, на один из входов которого подается в последовательной форме сообщение, на выходе формирует бит четности или нечетности (в зависимости от значения сигнала на втором входе элемента М2 - 0 или 1) для этого сообщения. В схеме кодера (Рисунок 7.4) элементы М2 включены между отдельными триггерами сдвигового регистра, причем сигналы обратной связи, поступающие на «свободные» входы элементов М2 (не связанные с передачей собственно сообщения через сдвиговый регистр), зависят как от предшествующих разрядов сообщения, так и от структуры обратных связей, принятой в кодере. В результате циклический код, формируемый таким кодером, можно считать совокупностью обобщенных бит четности и нечетности, тип которых (четность или нечетность) не определен заранее и может динамически меняться от такта к такту.
Порождающие полиномы, представляющие собой т. н. неприводимые многочлены (многочлены, которые делятся лишь на единицу и на самих себя), табулированы для разных значений n, k и dQ, например, п = 7...255, k = 3...247, d0= 3...127. Практически в компьютерных сетях используются циклические коды длиною в 2 или 4 байта (16 или 32 бита), а параметры п, k и d0 в явном виде не указываются. Это связано с возможностью выбора различной длины поля данных в пакете на этапе установления и выбора параметров соединения при неизменной длине поля циклического кода. Теоретическая вероятность ошибки при приеме в случае использования циклического кода не хуже рощ < 1/2г, так что для выполнения условия стандарта рош < 10"6 необходимое число проверочных разрядов г > Iog2106 = 20. Кроме случайно распределенных, циклический код позволяет обнаруживать подряд следующие ошибки (так называемые пакеты ошибок) длиною 1 = г или меньше. Это особенно важно в связи с возможностью возникновения продолжительных во времени помех, действующих на протяженные линии передачи в компьютерных сетях.
Хотя циклические коды обладают способностью исправления ошибок высокой кратности (при большом значении параметра d0) и известны технические решения декодеров с исправлением ошибок, однако практическая реализация таких декодеров на современном этапе представляется затруднительной, особенно в случае широкополосных (высокоскоростных) каналов связи. В настоящее время более распространены декодеры с обнаружением ошибок. При использовании обнаруживающего декодера в системе передачи информации неверно принятая информация может игнорироваться либо может быть запрошена повторная передача той же информации; в последнем случае предполагается наличие сигнала подтверждения правильности принятой информации, поступающего от приемника к передатчику информации. По мере развития элементной базы следует ожидать появления в интегральном исполнении декодеров циклических кодов, способных не только обнаруживать, но и исправлять ошибки.
Отметим также, что кроме систем передачи информации, циклические коды используется в запоминающих устройствах (ЗУ) для обнаружения возможных ошибок в считываемой информации. При записи файлов на диск (в том числе при их архивировании) вместе с файлами формируются и записываются соответствующие циклические коды. При чтении файлов (в том числе при извлечении файлов из архива) вычисленные циклические коды сравниваются с записанными и таким образом обнаруживаются возможные ошибки. Свойства циклического кода лежат в основе сигнатурного анализа (эффективного способа поиска аппаратных неисправностей в цифровых устройствах различной сложности). Варианты практической реализации соответствующих кодеров и сигнатурных анализаторов имеют между собой много общего.
Следует сделать два замечания относительно сложившейся терминологии. Хотя понятие «циклические коды» достаточно широкое, на практике его обычно используют для обозначения только одной разновидности, описанной выше и имеющей в англоязычной литературе название CRC (Cyclic Redundancy Check - циклическая избыточная проверка). Более того, иногда поле пакета, фактически содержащее код CRC, называется «контрольной суммой», что в принципе не совсем верно, но встречается повсеместно.
Перспективными с точки зрения аппаратурной реализации представляются коды БЧХ (коды Боуза-Чаудхури-Хоквингема), так же, как и коды Хэмминга, входящие в семейство циклических кодов. Коды БЧХ не слишком большой длины (примерно до п = 1023) оптимальны или близки к оптимальным кодам, т.е. обеспечивают максимальное значение d0 при минимальной избыточности. Эти коды уже нашли практическое применение в цифровых системах записи звука (речи, музыки), причем в варианте, предусматривающем исправление обнаруженных ошибок. Понятно, что относительно невысокие частоты дискретизации звуковых сигналов (48 или 96 кГц) не препятствуют так жестко, как в случае высокоскоростных сетей, проведению дополнительных вычислений.
<
Способы снижения числа ошибок в принятой информации
7.2.1. Способы снижения числа ошибок в принятой информации
Имеется разрыв между требованиями к верности принимаемой информации и возможностями существующих каналов связи. В частности, стандартами международных организаций МККТТ и МОС установлено, что вероятность ошибки при телеграфной связи не должна превышать 3 • 10"5 (на знак), а при передаче данных - 10~6 (на единичный элемент, бит). На практике допустимая вероятность ошибки при передаче данных может быть еще меньше - 10~9. В то же время существующие каналы связи (особенно каналы большой протяженности и протяженные радиоканалы) обеспечивают вероятность ошибки на уровне 10~3...10"4 даже при использовании фазовых корректоров, регенеративных ретрансляторов и других устройств, улучшающих качество каналов связи.
Кардинальным способом снижения вероятности ошибок при приеме является введение избыточности в передаваемую информацию. В системах передачи информации без обратной связи данный способ реализуется в виде помехоустойчивого кодирования, многократной передачи информации или одновременной передачи информации по нескольким параллельно работающим каналам. Помехоустойчивое кодирование доступнее и при прочих равных условиях позволяет обойтись меньшей избыточностью и за счет этого повысить скорость передачи информации.
<
Структурная схема алгоритма доступа к сети в соответствии с методом CSMA/CD
Рисунок 7.1. Структурная схема алгоритма доступа к сети в соответствии с методом CSMA/CD
Если после передачи какого-то бита обнаружена коллизия, то передача пакета прекращается. Абонент (узел) усиливает коллизию, передавая 32-
битовый сигнал ПРОБКА и начинает готовиться к следующей попытке передачи (блок 3 на рисунке). Сигнал ПРОБКА гарантирует, что факт наличия коллизии обнаружат все абоненты, участвующие в конфликте.
После передачи сигнала ПРОБКА абонент, обнаруживший коллизию, увеличивает значение счетчика числа попыток (перед началом передачи счетчик был сброшен в нуль). Максимальное число попыток передачи должно быть не более 16, поэтому если счетчик попыток переполнился, то попытки передать пакет прекращаются. Считается, что в этом случае сеть сильно перегружена, в ней слишком много коллизий. Эта ситуация - аварийная, и обрабатывается она на более высоких уровнях протоколов обмена.
Если же количество попыток не превысило 16, то производится вычисление величины задержки по приведенной формуле, а затем и выдержка вычисленного временного интервала. Случайный характер величины задержки с высокой степенью вероятности гарантирует, что у всех абонентов, участвующих в конфликте, задержки будут различными. Затем попытка передать пакет повторяется с самого начала. Понятно, что тот абонент, у которого вычисленная задержка будет меньше, начнет следующую передачу первым и заблокирует все остальные передачи.
Если в момент возникновении заявки на передачу (после окончания подготовки пакета) сеть занята другим абонентом, ведущим передачу, то данный абонент ждет освобождения сети (блок 5 на рисунке). После освобождения сети он должен выждать после предыдущей передачи по сети время IPG до начала собственной передачи. Это связано с конечным быстродействием узлов, осуществляющих проверку наличия несущей (занятости среды каким-либо передающим абонентом).
Таким образом, получается, что метод CSMA/CD не только не предотвращает коллизии, наоборот, он их предполагает, он их даже провоцирует, а затем разрешает. Например, если заявки на передачу возникли у нескольких абонентов во время занятости сети, то после ее освобождения все эти абоненты одновременно начнут передачу и образуют коллизию. Коллизия возникает и в случае свободной сети, если заявки на передачу возникают у нескольких абонентов одновременно. В обоих этих случаях под словом «одновременно» понимается «в пределах интервала двойного прохождения сигнала по сети», то есть в пределах 512-битовых интервалов. Точно так же в пределах 512-битовых интервалов обнаруживаются все коллизии в сети.
Если коллизия обнаруживается раньше 480- битового интервала, то в результате в сети образуются пакеты, длина которых меньше нижнего установленного предела в 512-битовых интервалов (64 байта) даже с добавлением сигнала ПРОБКА. Такие, пакеты (кадры) называются карликовыми (runt frames). Если же коллизия обнаруживается в конце 512-битового интервала (после 480-битового интервала), то в результате может получиться пакет допустимой длины (вместе с сигналом ПРОБКА). Такие пакеты называть карликовыми не совсем правильно. Сигнал ПРОБКА, образующий 32 последних бита пакета, выступает в виде контрольной суммы пакета. Однако вероятность того, что ПРОБКА будет соответствовать правильной контрольной сумме пакета, крайне мала (примерно 1 случай на 4,2 миллиарда).
Коллизии (наложения пакетов в процессе передачи) могут и должны обнаруживаться до окончания передачи. Действительно, анализ принятого в конце каждого пакета поля FCS, фактически содержащего помехоустойчивый циклический код CRC (Cyclic Redundancy Check), привел бы к неоправданному снижению скорости передачи.
Практически коллизии обнаруживаются либо самим передающим абонентом, либо повторителями в сети, возможно, задолго до окончания передачи заведомо испорченного пакета. Если учесть, что длина пакетов в локальной сети типа Ethernet/Fast Ethernet может лежать в диапазоне от 64 до 1518 байт, то досрочное прекращение передачи и освобождение линии означает заметное повышение эффективности использования ее пропускной способности.
Первым признаком возникновения коллизии является факт получения сигнала ПРОБКА передающим абонентом во время передачи пакета. Другие признаки связаны с неверным форматом пакетов, передача которых была досрочно прекращена из-за возникновения коллизии:
длина пакета меньше 64 байт (512 бит);
пакет имеет неверную контрольную сумму FCS (точнее, неверный циклический код);
длина пакета не кратна восьми.
Наконец, в сетях типа Ethernet используется код Манчестер-П и чисто аппаратный способ определения коллизии, основанный на анализе отклонения среднего значения сигнала от нуля.
Даже при загруженной сети для одного абонента число подряд следующих коллизий обычно не превышает 2—3. Этому способствует случайный характер возникновения запроса на передачу и случайная дискретная величина отсрочки следующей попытки передачи в случае возникновения коллизии. Всего же предусмотрено 16 попыток передачи, после чего
возникшая особая ситуация обрабатывается протоколом более высокого уровня. Число коллизий тем больше, чем больше диаметр (размер) сегмента и чем дальше расположены друг от друга абоненты с интенсивным трафиком.
<
Зависимость показателя использования
Рисунок 7.2. Зависимость показателя использования сети от времени при линейном увеличении предложенной нагрузки (1 - наилучшая область работы, 2 - приемлемая, 3 - плохая)
Некоторые авторы предлагают использовать для широко распространенного понятия «перегрузка» (overload) сетей на основе метода доступа CSMA/CD следующее определение: сеть перегружена, если она не может работать при полной нагрузке в течении не менее 80% своего времени (предполагается, что при этом в течении не менее 20% времени показатель использования сети недопустимо мал из-за коллизий). После точки насыщения наступает крах Ethernet (Ethernet collapse), когда возрастающая предложенная нагрузка заметно превышает возможности сети.
Стоит заметить, что реально маловероятно, чтобы предложенная нагрузка постоянно увеличивалась во времени и надолго превышала пропускную способность сети типа Fast Ethernet. Более того, любой детерминированный метод доступа не может обеспечить реализацию сколь угодно большой предложенной нагрузки, существующей продолжительное время. Если данный вариант детерминированного метода доступа не предусматривает, как и метод CSMA/CD, систему приоритетов, то никакой из абонентов не может захватить сеть более чем на время передачи одного пакета, однако передача данных отдельными пакетами с долгими паузами между ними ведет к снижению скорости передачи для каждого абонента. Однако преимущество детерминированных методов состоит в возможности простой организации системы приоритетов, что полезно из-за существования определенной иерархии в любом крупном коллективе.
<
Аппаратура 1OBASE-FL
8.4. Аппаратура 1OBASE-FL
Широко использовать оптоволоконный кабель в Ethernet начали сравнительно недавно. Его применение позволило сразу же значительно увеличить допустимую длину сегмента и существенно повысить помехоустойчивость передачи. Немаловажна также и полная гальваническая развязка компьютеров сети, которая достигается здесь без всякой дополнительной аппаратуры, просто в силу специфики среды передачи. Еще одно преимущество оптоволоконных кабелей состоит в возможности плавного перехода на Fast Ethernet, так как пропускная способность оптоволокна позволяет достигнуть не только 100 Мбит/с, но и более высоких скоростей передачи.
Передача информации в данном случае идет по двум оптоволоконным кабелям, передающим сигналы в разные стороны (как и в 10BASE-T). Иногда используются двухпроводные оптоволоконные кабели, содержащие два кабеля в общей внешней оболочке, но чаще — два одиночных кабеля. Вопреки распространенному мнению, стоимость оптоволоконного кабеля не слишком высока (она близка к стоимости тонкого коаксиального кабеля). Правда, в целом аппаратура в данном случае оказывается заметно дороже, так как требует использования дорогих оптоволоконных трансиверов.
Аппаратура 10BASE-FL имеет сходство как с аппаратурой 10BASE5 (здесь тоже применяются внешние трансиверы, соединенные с адаптером трансиверным кабелем), так и с аппаратурой 10BASE-T (здесь также применяется топология «пассивная звезда» и два разнонаправленных кабеля). Схема соединения сетевого адаптера и концентратора показана на Рисунок 8.11.
Аппаратура 10BASE-T
8.3. Аппаратура 10BASE-T
Сеть Ethernet на базе витой пары развивается с 1990 года и становится все более популярной. Во многом это объясняется модой, а вовсе не преимуществами витой пары. Ведь оборудование для нее обычно дороже, чем для 10BASE2. Однако 10BASE-T действительно имеет важные достоинства, главное из которых состоит в возможности плавного перехода на Fast Ethernet, чего не могут обеспечить сегменты на коаксиальном кабеле. Повреждение одного из кабелей не ведет к выходу из строя всей сети. Отказы оборудования проще локализовать. К тому же монтаж сети на витой паре проще. Удобно и то, что к каждому компьютеру подходит только один кабель, а не два, как в случае 10BASE2.
В сегменте 10BASE-T передача сигналов осуществляется по двум витым парам проводов, каждая из которых передает только в одну сторону (одна пара - передающая, другая — принимающая). Кабелем, содержащим такие двойные витые пары, каждый из абонентов сети присоединяется к концентратору (хабу), использование которого в данном случае в отличие от рассмотренных ранее обязательно. Концентратор производит смешение сигналов от абонентов для реализации метода доступа CSMA/CD, то есть в данном случае реализуется топология «пассивная звезда» (Рисунок 8.7), которая, как уже отмечалось, равноценна топологии «шина».
Длина соединительного кабеля между адаптером и концентратором не должна превышать 100 метров, что часто накладывает существенные ограничения на размещение компьютеров. Кабель используется гибкий, диаметром около б мм. Из четырех витых пар, входящих в кабель, используются только две. Наиболее распространенный тип кабеля — это кабель EIA/TIA категории 3. Но в настоящее время рекомендуется использовать более качественный кабель категории 5 (или даже выше), который
позволяет без проблем переходить на Fast Ethernet. Популярен кабель марки AWG 22-26. Ни в коем случае нельзя применять телефонные кабели, в которых провода не образуют витых пар, так как это вызывает нарушения в работе сети.
Тонкий коаксиальный кабель отличается от
8.2. Аппаратура 10BASE2
Тонкий коаксиальный кабель отличается от толстого вдвое меньшей толщиной (диаметр около 5 мм), значительно большей гибкостью, большим удобством монтажа, меньшей стоимостью (примерно в три раза дешевле толстого). Не удивительно, что сети на его основе получили гораздо большее распространение. Тонкий кабель, как и толстый, имеет волновое сопротивление 50 Ом и требует такого же 50-омного оконечного согласования. Если толстый кабель обязательно должен быть надежно закреплен, например, на стене или на полу помещения, то тонкий кабель вполне может быть проложен навесным монтажом, что позволяет довольно просто перемещать компьютеры в пределах помещения.
Самым большим недостатком тонкого кабеля является меньшая допустимая длина сегмента (до 185 м). Иногда, правда, изготовители сетевых адаптеров указывают допустимую длину сегмента 200 м или даже 300 м. В последнем случае может оказаться, что такие сетевые адаптеры не способны связываться с адаптерами других типов, так как используют нестандартные уровни сигналов. Наиболее распространенный тип тонкого коаксиального кабеля - это RG-58 A/U.
Рисунок 8.4. Аппаратура 10BASE2
Аппаратура для работы с тонким кабелем (Рисунок 8.4) гораздо проще, чем в случае толстого кабеля. Помимо сетевых адаптеров, требуются только кабели соответствующей длины, разъемы, Т-коннекторы и терминаторы (один с заземлением). Между каждой парой абонентов прокладывается отдельный кусок кабеля с двумя байонетными разъемами типа BNC на концах. Минимальная длина куска кабеля (минимальное расстояние между абонентами) - 0,5 метра. Допускается, хотя и не рекомендуется, соединение кусков кабеля между собой с помощью BNC 1-коннекторов (Barrel-коннекторов). Разъемы на кабель могут припаиваться, но чаще устанавливаются с помощью специального обжимного инструмента, причем надо следить, чтобы обжимной инструмент соответствовал марке выбранного разъема.
На плате адаптера должен находиться BNC-разъем, к которому присоединяется BNC Т-коннектор, соединяющий плату с двумя кусками кабеля (Рисунок 8.5). При этом если в структуре сетевого адаптера предусмотрено переключение режимов (тумблерами или перемычками) «Ethernet — Cheapernet», надо переключить адаптер в режим «Cheapernet» (это распространенное название сегмента 10BASE2 вообще и тонкого коаксиального кабеля в частности). Гальваническую развязку осуществляет сам адаптер, напряжение изоляции составляет 100 В, что значительно меньше, чем в случае толстого кабеля.
это первый, классический тип кабеля,
8.1. Аппаратура 10BASE5
Толстый кабель - это первый, классический тип кабеля, который использовался в Ethernet с самого начала. В настоящее время он не очень широко распространен, хотя и обеспечивает максимальную протяженность сети с топологией «шина». Это связано в первую очередь с большими трудностями монтажа аппаратуры и сравнительно высокой ее стоимостью.
Толстый коаксиальный кабель представляет собой 50-омный кабель диаметром около 1 см и отличается высокой жесткостью. Он имеет два основных типа оболочки: стандартная PVC желтого цвета (например, кабель Belden 9880) и тефлоновая Teflon оранжево-коричневого цвета (например, кабель Belden 89880). Широко распространены толстые кабели типа RG-11 и RG-8 (отличие между ними состоит в том, что у RG-11 посеребрена центральная жила). Толстый кабель - это самая дорогая среда передачи (примерно втрое дороже, чем другие типы). Зато у толстого кабеля лучше помехоустойчивость, меньше затухание и выше механическая прочность.
По стандарту к одному сегменту (длиной до 500 метров) не должно подключаться более 100 абонентов. Расстояния между точками их подключения не должно быть меньше, чем 2,5 метра, иначе возникают искажения передаваемых сигналов. Поэтому для удобства пользователя на оболочку кабеля часто наносятся черные полоски как раз через каждые 2,5 метра.
Аппаратные средства 10BASE5 представлены на Рисунок 8.1. Они включают в себя кабель, разъемы, терминаторы, трансиверы и трансиверные кабели.
Для соединения кусков толстого коаксиального кабеля и присоединения к нему терминаторов используются разъемы так называемого N-типа, установка которых довольно сложна и требует специальных инструментов (в противном случае возможны искажения сигналов на стыках). Два разъема N-типа для увеличения длины кабеля могут соединяться с помощью Barrel-коннекторов.
Рисунок 8.1. Аппаратура 10BASE5
При выполнении сегмента сети на базе толстого кабеля желательно использовать один кусок кабеля или брать все его куски из одной партии одного производителя. В противном случае на стыках разнородных кабелей могут быть искажения сигналов. Если кабель сегмента образуется из нескольких кусков, то с целью снижения отражений сигнала рекомендуется использовать куски длиной 23,4 метра, 70,2 метра и 117 метров (с погрешностью 0,5 метра). Никаких ответвлений и разветвлений толстого кабеля не допускается.
На обоих концах кабеля сегмента должны быть установлены 50-омные терминаторы N-типа, один (и только один) из которых надо заземлить.
Толстый кабель никогда не подводят непосредственно к каждому компьютеру сети, это сложно и неудобно для использования, так как компьютеры будут совершенно неподвижны. Его прокладывают по стене или по полу помещения. Для присоединения сетевых адаптеров к толстому кабелю служат специальные трансиверы (см. Рисунок 8.2). Трансивер (он же MAU, Medium Attachment Unit - устройство присоединения к среде) устанавливается непосредственно на толстом кабеле и связывается с адаптером трансивер-ным кабелем. Для присоединения трансиверов к толстому кабелю чаще всего используются специальные соединительные устройства, предложенные корпорацией AMP, которые не требуют разрезания кабеля в точке присоединения, а просто прокалывают оболочку и изоляцию кабеля и обеспечивают механическое и электрическое соединение как с оплеткой, так и с центральной жилой кабеля. Они носят названия «вампиров». Другой тип соединителя требует разрезания кабеля и установки на оба конца разъемов, поэтому он гораздо менее популярен.
Аппаратура 100BASE-FX
8.7. Аппаратура 100BASE-FX
Применение оптоволоконного кабеля в сегменте 100BASE-FX позволяет существенно увеличить протяженность сети, а также избавиться от электрических наводок и повысить секретность передаваемой информации.
Аппаратура 100BASE-FX очень близка к аппаратуре 10BASE-FL. Точно так же здесь используется топология «пассивная звезда» с подключением компьютеров к концентратору с помощью двух разнонаправленных оптоволоконных кабелей (Рисунок 8.20). Между сетевыми адаптерами и кабелями возможно включение выносных трансиверов. Как и в случае сегмента 10BASE-FL, оптоволоконные кабели подключаются к адаптеру (трансиверу) и к концентратору с помощью разъемов типа SC, ST или FDDI. Для присоединения разъемов SC и FDDI достаточно просто вставить их в гнездо, а разъемы ST имеют байонетный механизм.
8.6. Аппаратура 100BASE-T4
Основное отличие аппаратуры 100ВА5Е-Т4от 100BASE-TX состоит в том, что передача производится не по двум, а по четырем неэкранированным витым парам. При этом кабель может быть менее качественным, чем в случае 100BASE-TX (категории 3,4 или 5). Принятая в 100BASE-T4 система кодирования сигналов обеспечивает ту же самую скорость 100 Мбит/с на любом из этих кабелей, хотя стандарт рекомендует, если есть такая возможность, использовать кабель категории 5.
Схема объединения компьютеров в сеть ничем не отличается от 100BASETX (Рисунок 8.15). Компьютеры присоединяются к концентратору по схеме пассивной звезды. Длина кабелей точно так же не может превышать 100 м (стандарт и в этом случае рекомендует ограничиваться 90 м для 10-процентного запаса). Между адаптерами и кабелями в случае необходимости могут включаться выносные трансиверы.
Как и в случае 100BASE-TX, для подключения сетевого кабеля к адаптеру (трансиверу) и к концентратору используются 8-контактные разъемы типа RJ-45. Но в данном случае задействованы все 8 контактов разъема. Назначение контактов разъемов представлено в таблице 8.5.
Обмен данными идет по одной передающей витой паре, по одной приемной витой паре и по двум двунаправленным витым парам с использованием трехуровневых дифференциальных сигналов.
Аппаратура 100BASE-TX
8.5. Аппаратура 100BASE-TX
Схема объединения компьютеров в сеть 100BASE-TX практически ничем не отличается от схемы в случае 10BASE-T (Рисунок 8.15). Однако в этом случае необходимо применение кабелей с неэкранированными витыми парами (UTP) категории 5 или выше.
Для присоединения кабелей так же, как и в случае 10BASE-T, используются 8-контактные разъемы типа RJ-45. Но эти разъемы (категории 5) несколько отличаются от разъемов категории 3. Как и для 10BASE-T, длина кабеля не может превышать 100 м, используется топология «пассивная звезда» с концентратором в центре. Только сетевые адаптеры должны быть Fast Ethernet, и концентратор должен быть рассчитан на подключение сегментов 100BASE-TX. Именно поэтому рекомендуется при установке сети 10BASE-T сразу же прокладывать кабель категории 5. Между адаптерами и кабелями сети могут включаться выносные трансиверы.
Автоматическое определение типа сети (Auto-Negotiation)
8.8. Автоматическое определение типа сети (Auto-Negotiation)
Функция автоматического определения типа сети, предусмотренная стандартом Ethernet, не является обязательной. Однако ее реализация в сетевых адаптерах и концентраторах позволяет существенно облегчить жизнь пользователям сети. Особенно это важно на современном этапе, когда широко применяются как более ранняя версия Ethernet со скоростью обмена 10 Мбит/с, так и более поздняя версия Fast Ethernet со скоростью 100 Мбит/с.
Функция автодиалога или автосогласования (так можно перевести Auto-Negotiation) позволяет адаптерам, в которых предусмотрено переключение скорости передачи, автоматически подстраиваться под скорость обмена в сети, а концентраторам, в которых предусмотрен авто диалог, самим определять скорость передачи адаптеров, подключенных к их портам. При этом пользователь сети не должен следить за тем, на какую скорость обмена настроена его аппаратура: система сама выберет максимально возможную скорость.
Сразу отметим, что режим автодиалога применяется только в сетях на основе сегментов, использующих витые пары: 10BASE-T, 100BASE-TX и 100BASE-T4. Для сегментов на базе коаксиального кабеля и оптоволоконного кабеля автодиалог не предусмотрен. Шинные сегменты на коаксиальном кабеле не дают возможности двухточечной связи, а в оптоволоконных сегментах применяется другая система служебных сигналов.
Автодиалог основан на использовании сигналов, передаваемых в Fast Ethernet, которые называются FLP (Fast Link Pulse) по аналогии с сигналами NLP (Normal Link Pulse), применяемыми в сегментах 10BASE-T. Так же, как и NLP, сигналы FLP начинают вырабатываться с включением питания соответствующей аппаратуры (адаптера или концентратора) и формируются в паузах между передаваемыми сетевыми пакетами, поэтому они никак не влияют на загрузку сети. Именно сигналы FLP и передают информацию о возможностях подключенной к данному сегменту аппаратуры.
Так как аппаратура 10BASE-T разрабатывалась до создания механизма автодиалога, для автоматического определения типа сети необходимо обрабатывать не только сигналы FLP, но и сигналы NLP.
Это также предусмотрено в аппаратуре, поддерживающей автодиалог. Естественно, в такой аппаратуре, как правило, предусматривается и возможность отключения режима автодиалога, чтобы пользователь сам мог задать режим работы своей сети.
Помимо уже упоминавшихся сегментов 10BASE-T, 100BASE-TX и 100BASE-T4, автодиалог предусматривает обслуживание так называемых полнодуплексных (full duplex) сегментов сети Ethernet (10BASE-T Full Duplex) и сети Fast Ethernet (100BASE-TX Full Duplex).
Как известно из теории связи, связь бывает симплексная (всегда только в одну сторону), полудуплексная (по очереди то в одну сторону, то в другую) и полнодуплексная (одновременно в две стороны). Классический Ethernet использует полудуплексную связь: по его кабелю в разное время может проходить разнонаправленная информация. Это позволяет легко реализовать обмен между большим количеством абонентов, но требует сложных методов доступа к сети (CSMA/CD). Полнодуплексная версия Ethernet гораздо проще. Она предназначена для обмена только между двумя абонентами по двум разнонаправленным кабелям, причем передавать могут оба абонента сразу. Два преимущества такого подхода понятны сразу: во-первых, не требуется никакого механизма доступа к сети, а во-вторых, в идеале пропускная способность такой линии связи оказывается вдвое выше, чем при полудуплексной передаче. Полнодуплексные версии Ethernet и Fast Ethernet находятся еще на стадии стандартизации, поэтому единых правил обмена пока не выработано, и аппаратура разных производителей может основываться на разных принципах обмена. Тем не менее, автодиалог уже ориентирован на их распознавание и использование.
При проведении автодиалога применяется таблица приоритетов (табл. 8.6), в которой полнодуплексные версии имеют более высокие приоритеты, чем классические полудуплексные, так как они более быстрые.
Из таблицы следует, что если аппаратура на обоих концах сегмента поддерживает обмен с двумя скоростями, например, в режимах 10BASE-T и 100B ASE-TX, то в результате автодиалога будет выбран режим 100BASETX, как имеющий больший приоритет (обеспечивающий большую скорость).
Формат слова LCW, применяемого в автодиалоге
Рисунок 8.23. формат слова LCW, применяемого в автодиалоге
Восьмиразрядное поле технологических особенностей (Technology Ability Field) определяет тип сети в пределах стандарта, заданного битами поля селектора. Для стандарта IEEE 802.3 пока что определены пять типов, представленные в таблице 8.6.
Бит удаленной ошибки RF (Remote Fault) позволяет передавать информацию о наличии ошибок. Бит подтверждения Ack (Acknowledge) используется для подтверждения получения посылки. Наконец, бит следующей страницы NP (Next Page) говорит о поддержке функции следующей страницы, о том, что абонент собирается передавать еще и дополнительную информацию.
В автодиалоге используется специально разработанный протокол с многократным подтверждением принятия посылок. В случае, если автодиалог происходит между абонентами 1 и 2, последовательность действий абонентов будет такой.
1. Абонент 1 передает свою посылку (LCW) с неустановленным (равным нулю) битом Ack.
2. Абонент 2 в ответ начинает передавать последовательные ответные посылки (LCW).
3. Когда абонент 1 получает три последовательные посылки от абонента 2 (бит Ack при этом игнорируется), он передает посылку с установленным (равным единице) битом Ack (подтверждает правильный прием LCW от абонента 2).
4. Абонент 2 продолжает передавать свои LCW с установленным битом Ack.
5. Когда абонент 1 получает три последовательные посылки от абонента 2 с установленным битом Ack, он понимает, что абонент 2 правильно принял его LCW.
6. Абонент 1 передает свое LCW с установленным битом Ack 6—8 раз для гарантии, что диалог завершен полностью.
7. В результате оба абонента получают информацию о своем партнере и могут выбрать тот режим работы, который обеспечит наилучшие характеристики обмена.
Отметим, что в соответствии с этим алгоритмом действуют оба абонента, участвующие в авто диалоге. Как видим, здесь реализуется механизм многократного взаимного подтверждения, что существенно гювышает надежность передачи данных об аппаратуре абонентов. При этом также легко детектируются различные ошибочные ситуации, например, неисправности аппаратуры абонентов, нарушения целостности кабеля, несовместимость аппаратуры абонентов и т.д.
Для реализации функции следующей страницы используется бит NP (см. Рисунок 8.23). Если оба абонента устанавливают его в своих LCW, то есть оба они поддерживают эту функцию, то между ними может быть произведен дополнительный обмен информацией такими же 16-разрядными словами, но с другим форматом. В этих словах 11 битов отводится на информацию, а пять битов используются как служебные. В частности, это позволяет производить более полную диагностику аппаратуры, а также выявлять повышенный уровень помех в линии связи.
Вероятно, в дальнейшем принцип автодиалога будет совершенствоваться и развиваться, включая в себя другие стандарты и типы сети, давая возможность решения все новых задач. Но его реализация в принципе невозможна при стандартной топологии «шина», поэтому, скорее всего, доля шинных сегментов (10BASE2 и 10BASE5) будет все больше сокращаться. В новых сетях (Fast Ethernet, Gigabit Ethernet) шинные сегменты вряд ли появятся.
<
Стандартные сегменты Ethernet и Fast Ethernet
Глава 8. Стандартные сегменты Ethernet и Fast Ethernet
Код, применяемый при автодиалоге
Рисунок 8.22. Код, применяемый при автодиалоге
Обмен информацией при автодиалоге осуществляется 16-битными словами, называемыми LCW (Link Code Word), с форматом, представленным на Рисунок 8.23.
Пятиразрядное поле селектора (Selector Field) определяет один из 32 возможных типов стандарта сети. В настоящее время для него используется только два кода: код 00001 соответствует стандарту IEEE 802.3, а код 00010 соответствует стандарту IEEE 802.9.
Рисунок 8.19. Кодирование информации 8В/6Т в сегменте 10OBASE-T4
Для контроля целостности сети в 100BASE- T4 также предусмотрена передача специального сигнала FLP между сетевыми пакетами. Наличие связи индицируется светодиодами «Link».
<
Объединение компьютеров в сеть по стандарту 10BASE-FL
Рисунок 8.14. Объединение компьютеров в сеть по стандарту 10BASE-FL
<
Подключение компьютеров к сети 10OBASE-FX
Рисунок 8.20. Подключение компьютеров к сети 10OBASE-FX
Максимальная длина кабеля между компьютером и концентратором составляет 412м, причем это ограничение определяется не качеством кабеля, а установленными временными соотношениями. Согласно стандарту,
применяется мультимодовый или одномодовый кабель с длиной волны света 1,35 мкм. В последнем случае потери мощности сигнала в сегменте (в кабеле и разъемах) не должны превышать 11 дБ. При этом надо учитывать, что потери в кабеле составляют 1-5 дБ на километр длины, а потери в разъеме - от 0,5 до 2 дБ (при условии, что разъем установлен качественно).
Как и в других сегментах Fast Ethernet, в 100BASE-FX предусмотрен контроль за целостностью сети, для чего в промежутках между сетевыми пакетами по кабелю передается специальный сигнал. Целостность сети индицируется светодиодами «Link».
<
Подключение компьютеров к сети 10OBASE-FX - часть 2
Подключения абонентов сети с помощью витой пары
Рисунок 8.7. Подключения абонентов сети с помощью витой пары
Кабели присоединяются к адаптеру и к концентратору 8-контактными разъемами типа RJ-45 (Рисунок 8.8), внешне похожими на обычные телефонные разъемы, в которых используются только четыре контакта. Назначение контактов разъема приведено в табл. 8.2.
Монтаж и обслуживание неэкранированных кабелей с витыми парами (UTP-кабелей) гораздо проще, чем коаксиальных кабелей, так как они не имеют металлической оплетки. Что касается стоимости кабеля, то UTP-кабели стоят примерно вдвое дешевле, чем тонкий коаксиальный кабель, но при этом надо учитывать, что в случае топологии пассивная звезда кабеля обычно требуется гораздо больше, чем при топологии шина.
Подсоединение адаптера к толстому кабелю
Рисунок 8.2. Подсоединение адаптера к толстому кабелю
Трансиверный кабель представляет собой гибкий многопроводный кабель диаметром около 1 см, содержащий четыре экранированные витые пары. Длина обычного трансиверного кабеля может достигать 50 метров, а более тонкого и гибкого офисного варианта трансиверного кабеля —12,5 метров, чем обеспечивается достаточная свобода перемещения компьютеров. На концах трансиверного кабеля устанавливаются 15-контактные разъемы (DIX-разъемы типа «вилка», DB-15P). Трансиверный кабель называется также AUI-кабелем (Attachment Unit Interface) или Drop-кабелем, спусковым кабелем, а его разъемы — AUI-разъемами. Трансивер питается от внутреннего источника питания компьютера и должен потреблять ток не более 0,5 А от источника +12 В.
Присоединение адаптера к тонкому коаксиальному кабелю
Рисунок 8.5. Присоединение адаптера к тонкому коаксиальному кабелю
Кому-то может показаться удобным включить между разъемом адаптера и BNC Т-коннектором отрезок кабеля и расположить весь соединительный узел (Т-коннектор и два BNC разъема) подальше от адаптера и компьютера. В принципе это допускается, но стандарт определяет, что длина такого вставленного отрезка кабеля не должна превышать 4 см. Вряд ли кабель такой длины что-нибудь даст, поэтому лучше все-таки выполнять соединение именно так, как показано на Рисунок 8.5.
Отметим, что разъемы отечественного производства типа СР-50 вообще-то подходят для соединения с импортными разъемами BNC. Однако совсем небольшое отличие в размерах этих разъемов приводит к тому, что их соединение требует значительных физических усилий, опасных для целости адаптера, так что лучше все-таки придерживаться одного типа разъемов, тем более что стоят сейчас разъемы не так уж много (около половины доллара).
Если вся сеть выполняется на тонком кабеле, то, согласно стандарту, количество сегментов не должно превышать пяти (таким образом, общая длина сети составит 925 м, потребуется четыре репитера). Максимальное количество абонентов на одном сегменте (включая репитеры) не должно быть больше 30, то есть общее число абонентов в сети на базе тонкого кабеля в принципе не может быть больше 150.
и перекрестный кабель сети
Рисунок 8.18. Прямой и перекрестный кабель сети 10OBASE-T4
Прямой и перекрестный кабели, применяемые в сегменте 10OBASE-TX
Рисунок 8.17. Прямой и перекрестный кабели, применяемые в сегменте 10OBASE-TX
<
Передача по витым парам ведется
Рисунок 8.8. Разъем RJ-45
Передача по витым парам ведется дифференциальными сигналами с целью увеличения помехоустойчивости сети, то есть ни один из проводов этих витых пар не заземляется. В отличие от сегментов с коаксиальным кабелем пользователю не надо ни использовать внешние терминаторы, ни заземлять кабель, достаточно всего лишь обеспечить заземление компьютеров сети.
SC-разъем для оптоволоконного кабеля
Рисунок 8.13. SC-разъем для оптоволоконного кабеля
Пример соединения компьютеров с помощью оптоволоконного кабеля в топологию «пассивная звезда» показан на Рисунок 8.14.
Минимальный набор оборудования для соединения оптоволоконным кабелем двух компьютеров включает в себя следующие элементы:
два сетевых адаптера с трансиверными разъемами; "Spisok"> два оптоволоконных трансивера (FOMAU);
два трансиверных кабеля;
два оптоволоконных кабеля с ST-разъемами (или с SC или с MIC разъемами) на концах.
Если требуется соединить больше двух компьютеров, то надо использовать концентратор, имеющий оптоволоконные порты. Каждый компьютер снабжается трансивером и трансиверным кабелем, а также двумя оптоволоконными кабелями с соответствующими разъемами.
Схема объединения компьютеров по стандарту 10OBASE-TX
Рисунок 8.15. Схема объединения компьютеров по стандарту 10OBASE-TX
Хотя максимальная длина кабеля как в 10BASE-T, так и в 100BASE-TX равна 100 м, но природа этих ограничений различна. В случае 10BASE-T предельная длина кабеля в 100 м ограничена только качеством кабеля (точнее, затуханием сигнала в нем) и в принципе может быть увеличена при использовании более совершенного кабеля (например, до 150 м). А в случае 100BASE-TX предельная длина 100 м определяется заданными временными соотношениями обмена (установленным ограничением на двойное время прохождения) и не может быть увеличена ни при каких условиях. Поэтому стандарт даже рекомендует ограничиваться длиной сегмента в 90 м, чтобы иметь 10-процентный запас.
Соединение адаптера и концентратора в 10BASE-FL
Рисунок 8.11. Соединение адаптера и концентратора в 10BASE-FL
Оптоволоконный трансивер называется FOMAU (Fiber Optic MAU). Он выполняет все функции обычного трансивера (MAU), но, кроме того, преобразует электрический сигнал в оптический при передаче и обратно при приеме. FOMAU также формирует и контролирует сигнал целостности линии связи, передаваемый в паузах между передаваемыми пакетами. Целостность линии связи, как и в случае 10BASE-T, индицируется све-тодиодами «Link». Для присоединения трансивера к адаптеру применяется стандартный АШ-кабель, такой же, как и в случае 10BASE5, но длина его не должна превышать 25 м.
Длина оптоволоконных кабелей, соединяющих трансивер и концентратор, может достигать 2 км без применения каких бы то ни было ретрансляторов. Таким образом возможно объединение в локальную сеть компьютеров, находящихся в разных зданиях, сильно разнесенных территориально.
Первоначально оптоволоконная связь применялась преимущественно для связи между репитерами. Поэтому первый стандарт FOIRL (Fiber Optic Inter-Repeater Link), разработанный в начале восьмидесятых, предполагал как раз связь между двумя репитерами на расстояние до 1000 метров. Затем были разработаны оптоволоконные трансиверы для подключения к репитеру отдельных компьютеров и стандарт 10BASE-F, включающий в себя три типа сегментов.
10BASE-FL заменил старый стандарт FOIRL. Он наиболее распространен в настоящее время. Он обеспечивает связь между двумя компьютерами, между двумя репитерами или между компьютером и репитером. Максимальное расстояние - до 2000 м.
10BASE-FB предназначен для синхронного обмена между несколькими репитерами с целью образования базовой распределенной репитерной системы. Максимальное расстояние - до 2000 м. Широкого распространения не получил.
10BASE-FP предназначен для объединения в топологию «пассивная звезда» без использования репитеров до 33 компьютеров (для этого применяются специальные оптические разветвители). Максимальное расстояние от компьютера до разветвителя - до 500 м. Такое сокращение допустимого расстояния объясняется сильным затуханием в разветви-теле. Широкого распространения этот тип сегмента также не получил.
Соединение компьютеров сети 10BASE-T
Рисунок 8.10. Соединение компьютеров сети 10BASE-T
<
Соединение компьютеров сети толстым кабелем
Рисунок 8.3. Соединение компьютеров сети толстым кабелем
Минимальный набор оборудования для односегментной сети на толстом кабеле включает в себя следующие элементы:
сетевые адаптеры (по числу объединяемых в сеть компьютеров) с AUI-разъемами;
толстый кабель с разъемами N-типа на концах, общая длина которого достаточна для объединения всех компьютеров сети;
трансиверные кабели с 15-контактными AUI-разъемами на концах длиной от компьютера до толстого кабеля (по количеству сетевых адаптеров);
трансиверы (по количеству сетевых адаптеров);
два Barrel-коннектора N-типа для присоединения терминаторов на концах кабеля;
один N-терминатор без заземления;
один N-терминатор с заземлением.
В настоящее время аппаратура 10BASE-5 практически не используется, но в некоторых случаях она еще применяется для организации базовой (Backbone) сети. Доля сетевых адаптеров с AUI разъемами сейчас не превышает 5%.
<
Соединение компьютеров сети тонким кабелем
Рисунок 8.6. Соединение компьютеров сети тонким кабелем
Пример соединения компьютеров в сеть с помощью тонкого кабеля показан на Рисунок 8.6. Здесь, как и в случае толстого кабеля, реализуется стандартная топология «шина».
Минимальный набор оборудования для односегментной сети на тонком кабеле должен включать в себя следующие элементы:
сетевые адаптеры (по числу объединяемых в сеть компьютеров);
отрезки кабеля с BNC-разъемами на обоих концах, общая длина которых достаточна для объединения всех компьютеров;
BNC Т-коннекторы (по числу сетевых адаптеров);
один BNC терминатор без заземления;
один BNC терминатор с заземлением.
Если сеть строится из нескольких сегментов с использованием репитеров и концентраторов, то надо учитывать, что некоторые концентраторы имеют встроенные 50-омные терминаторы (иногда — отключаемые), что упрощает проблемы согласования. Если же таких встроенных терминаторов нет, то надо использовать внешние терминаторы на каждом конце каждого сегмента, и тогда перечисленная аппаратура будет требоваться для каждого сегмента.
Отметим, что в принципе возможна реализация какого-то сегмента сети на базе отрезков кабелей разного типа (толстого и тонкого). В этом случае для расчета допустимой длины сегмента кабеля рекомендуется пользоваться следующим простым соотношением, где LTH и Ьтл - соответственно длина тонкого и толстого кабеля. Однако лучше все-таки использовать точный расчет работоспособности сети, который описан в специальной главе книги.
До недавнего времени аппаратура 10BASE2 была самой популярной. Кабели, разъемы, адаптеры для нее выпускались наибольшим количеством производителей, что приводило к регулярному снижению цен. Но сейчас ее все больше вытесняет 10BASE-T, порой совершенно неоправданно, ведь для небольших сетей 10BASE2 обычно представляет собой самое дешевое и удобное решение. В случае, когда удобнее «шина», а не «пассивная звезда», сегменты 10BASE2 целесообразно включать и в сложные сети с несколькими концентраторами.
Соединение проводов прямого и перекрестного кабелей сегмента 10BASE-T
Рисунок 8.9. Соединение проводов прямого и перекрестного кабелей сегмента 10BASE-T
В сети 10BASE-T применяются два вида соединения проводов кабеля (Рисунок 8.9). Если надо объединить в сеть всего два компьютера, то можно обойтись вообще без концентратора, применив так называемый перекрестный кабель (crossover cable), который соединяет передающие контакты одного разъема RJ-45 с приемными контактами другого разъема RJ-45 и наоборот. А для соединения компьютеров с концентратором обычно используется прямой кабель (direct cable), в котором соединяются между собой одинаковые контакты обоих разъемов. На такой прямой кабель рассчитано большинство концентраторов. Надо, правда, учитывать, что иногда перекрестное соединение имеется внутри порта концентратора (стандарт рекомендует помечать такой порт буквой «X»), так что, выполняя соединения в сети, надо быть очень аккуратным. Надо еще учитывать, что кабель, соединяющий два концентратора через обычные порты, должен быть перекрестным. А вот кабель, соединяющий специальный расширительный порт одного концентратора (UpLink) с нормальным портом другого концентратора, должен быть прямым.
Следует также отметить такую особенность адаптеров и концентраторов, рассчитанных на работу с витой парой, как наличие в них встроенного контроля правильности соединения сети. При отсутствии передачи информации они периодически передают тестовые импульсы (NLP - Normal Link Pulse), по наличию которых на приемном конце определяется целостность кабеля. Для визуального контроля правильности соединений предусмотрены специальные светодиоды «Link», которые горят при правильном соединении аппаратуры. Это очень удобно и выгодно отличает сегмент 10BASE-T от 10BASE2 и 10BASE5, где подобная функция из-за шинной структуры в принципе не может быть предусмотрена.
Минимальный набор оборудования для сети на витой паре включает в себя следующие элементы:
сетевые адаптеры (по числу объединяемых в сеть компьютеров), имеющие UTP-разъемы RJ-45;
отрезки кабеля с разъемами RJ-45 на обоих концах (по числу объединяемых компьютеров);
один концентратор, имеющий столько UTP-портов с разъемами RJ-45, сколько необходимо объединить компьютеров.
Пример соединения компьютеров сети на витой паре по стандарту 10BASE-T показан на Рисунок 8.10.
ST-разъем для оптоволоконного кабеля
Рисунок 8.12. ST-разъем для оптоволоконного кабеля
Стандартный оптоволоконный кабель 10BASE-FL должен иметь на обоих концах оптоволоконные байонетные ST-разъемы, показанные на Рисунок 8.12 (стандарт BFOC/2.5). Присоединение этого разъема к трансиверу или концентратору не сложнее, чем BNC-разъема в сети 10BASE2. Используются также разъемы типа SC, присоединяемые подобно RJ-45 путем простого вставления в гнездо. Разъемы SC обычно жестко соединены по два для двух кабелей (Рисунок 8.13). Существуют также разъемы типа MIC FDDI, подобно разъемам SC вставляемые в гнездо. При покупке оборудования надо следить за соответствием разъемов, установленных на кабеле, и ответных разъемов трансиверов или концентраторов.
В соответствии со стандартом, в 10BASE-FL используется мультимодо-вый кабель и свет с длиной волны 850 нм, хотя в перспективе не исключен переход на одномодовый кабель. Суммарные оптические потери в сегменте (как в кабеле, так и в разъемах) не должны превышать 12,5 дБ. При этом потери в кабеле составляют около 4-5 дБ на километр длины кабеля, а потери в разъеме - от 0,5 до 2,0 дБ (эта величина сильно зависит от качества установки разъема). Только при таких величинах потерь можно гарантировать устойчивую связь на предельной длине кабеля. На практике лучше не рисковать и брать длину кабеля процентов на десять меньше предельной.
Назначение контактов AUI разъема DB1 5 (продолжение)
Таблица 8.1. Назначение контактов AUI разъема DB1 5 (продолжение)
| Контакт | Назначение | ||
| 4 | RX экран | ||
| 5 | RX+ | ||
| 6 | Земля | ||
| 7 | Не используется | ||
| 8 | Не используется | ||
| 9 | CD- | ||
| 10 | ТХ- | ||
| 11 | ТХ экран | ||
| 12 | RX- | ||
| 13 | Питание(+ 12В) | ||
| 14 | Экран питания | ||
| 15 | Не используется |
Сетевой адаптер, работающий с толстым кабелем, должен иметь внешний 15-контактный АШ-разъем (разъем DIX типа «розетка», DB-15S). Назначение контактов этого разъема приведено в табл. 8.1. Для связи используются три пары экранированных дифференциальных сигналов: передаваемая адаптером информация (ТХ+,ТХ- и ТХ экран), принимаемая из сети информация (RX+, RX- и RX экран), а также сигнал наличия коллизии (CD+, CD- и CD экран). Провод питания также экранируется для уменьшения влияния внешних наводок. Гальваническая развязка в данном случае осуществляется внутри трансивера. Напряжение изоляции между абонентами может достигать 5 киловольт.
Если в структуре сетевого адаптера предусмотрено переключение (тумблерами или перемычками) Ethernet-Cheapernet, надо переключить его в режим Ethernet (то есть 10BASE5). Схема соединения компьютеров сегмента сети на толстом кабеле показана на Рисунок 8.3.
Максимальное количество сегментов при реализации всей сети только на толстом коаксиальном кабеле не должно превышать пяти (общая длина сети - 2,5 километра). Соответственно потребуется четыре репитера. То есть общее количество компьютеров, подсоединенных к толстому кабелю, в принципе не может превышать пятисот.
Назначение контактов AUI разъема DB15
Таблица 8.1. Назначение контактов AUI разъема DB15
| Контакт | Назначение |
| 1 | CD экран |
| 2 | CD+ |
| 3 | ТХ+ |
Назначение контактов разъема RJ-45 сегмента 10BASE-T
Таблица 8.2. Назначение контактов разъема RJ-45 сегмента 10BASE-T
| Контакт | Назначение | Цвет провода | |||
| 1 | ТХ+ | Белый/оранжевый | |||
| 2 | ТХ- | Оранжевый/белый | |||
| 3 | RX+ | Белый/зеленый | |||
| 4 | Не используется | ||||
| 5 | Не используется | ||||
| 6 | RX- | Зеленый/белый | |||
| 7 | Не используется | ||||
| 8 | Не используется |
и два для приема информации
Таблица 8.3. Распределение контактов разъема типа RJ-45
| Контакт | Назначение | Цвет провода |
| 1 | ТХ+ | Белый/оранжевый |
| 2 | тх- | Оранжевый/белый |
| 3 | RX+ | Белый/зеленый |
| 4 | Не используется | |
| 5 | Не используется | 1 |
| 6 | RX- | Зеленый/белый |
| 7 | Не используется | |
| 8 | Не используется |
TX могут использоваться два типа
Таблица 8.4. Распределение контактов разъема DB9
| Контакт | Назначение | Цвет провода |
| 1 | RX+ | Оранжевый |
| 2 | Не используется | |
| 3 | Не используется | |
| 4 | Не используется | |
| 5 | ТХ+ | Красный |
| 6 | RX- | Черный |
| 7 | Не используется | |
| 8 | Не используется | |
| 9 | тх- | Зеленый |
Для контроля целостности сети в 100BASE-TX предусмотрена передача в интервалах между сетевыми пакетами специальных сигналов (FLP — Fast Link Pulse), выполняющих также функцию автоматического согласования скорости передачи аппаратных средств (Auto-Negotiation).
Распределение контактов
Таблица 8.5. Распределение контактов разъема типа RJ-45 для сегмента 10OBASE-T4 (ТХ - передача данных, RX - прием данных, BI - двунаправленная передача)
| Контакт | Назначение | Цвет провода | |||
| 1 | TX_D1 + | Белый / оранжевый | |||
| 2 | TX_D1- | Оранжевый / белый | |||
| 3 | RX_D2+ | Белый / зеленый | |||
| 4 | BI_D3+ | Голубой / белый | |||
| 5 | BI_D3- | Белый / голубой | |||
| 6 | RXJD2- | Зеленый / белый | |||
| 7 | BIJD4+ | Белый / коричневый | |||
| 8 | BIJD4- | Коричневый / белый |
Для связи двух компьютеров без применения концентраторов используется перекрестный кабель. В обычном же прямом кабеле, применяемом для соединения компьютера с концентратором, соединены одноименные контакты обоих разъемов. Схемы кабелей приведены на рис 8.18. Если перекрестное соединение предусмотрено внутри концентратора, то соответствующий порт должен помечаться буквой «X». Как видим, и здесь все точно так же, как в случае 100BASE-TX и 10BASE-T.
Для реализации передачи информации со скоростью 100 Мбит/с по кабелю с малой полосой пропускания (категории 3) в сегменте 100BASE-T4 используется оригинальный принцип кодирования информации, называющийся 8В/6Т. Его идея состоит в том, что 8 бит, которые надо передать, преобразуются в 6 тернарных (трехуровневых с уровнями -3,5 В, +3,5 В и О В) сигналов, которые затем передаются за два такта по трем витым парам. При шестиразрядном трехзначном коде общее число возможных состояний равно З6 = 729, что больше, чем 28 = 256, то есть никаких проблем из-за уменьшения количества разрядов не возникает. В результате по каждой витой паре передается информация со скоростью 25 Мбит/с, то есть требуется полоса пропускания всего 12,5 МГц (Рисунок 8.19). Для передачи информации одновременно используются две двунаправленные витые пары (BI_D3 и BI_D4) и одна однонаправленная (TX_D1 или RX_D2). Четвертая витая пара, не участвующая в передаче информации (TX_D1 или RX_D2), используется для обнаружения коллизий.
Приоритеты автодиалога (1 - высший приоритет, 5 - низший приоритет)
Таблица 8.6. Приоритеты автодиалога (1 - высший приоритет, 5 - низший приоритет)
| Приоритет | Тип сети | ||
| 1 | 100BASE-TX Full Duplex | ||
| 2 | 100BASE-T4 | ||
| 3 | 100BASE-TX | ||
| 4 | 10BASE-T Full Duplex | ||
| 5 | 10BASE-T |
Автодиалог предусматривает также разрешение ситуаций, когда на одном конце кабеля подключена двухскоростная аппаратура, а на другом -односкоростная. Например, если двухскоростной адаптер присоединен к концентратору 10BASE-T, в котором не предусмотрена возможность автодиалога, то он не будет получать сигналов FLP, а будет получать только сигналы NLP. В результате действия механизма автодиалога адаптер будет переключен в режим концентратора 10BASE-T. Точно так же, если двухскоростной концентратор присоединен к односкоростному адаптеру 100BASE-TX, не рассчитанному на автодиалог, то концентратор перейдет в режим адаптера 100BASE-TX. Этот механизм одностороннего определения типа сети называется параллельным детектированием (Parallel Detection).
Естественно, в любом случае автодиалог не может обеспечить большей скорости, чем самый медленный из компонентов сети. То есть если к ре-питерному концентратору, в котором предусмотрена функция автодиалога, подключены два адаптера: односкоростной 10BASE-T и двухскоростной (10BASE-T и 100BASE-TX), то вся сеть будет настроена на работу как 10BASE-T, так как никакого накопления информации и никакой ее обработки в репитерном концентраторе не предусмотрено. Присоединение к такому концентратору двух неперестраиваемых (односкоростных) адаптеров с разными скоростями делает сеть неработоспособной. Иногда в конструкции репитеров предусматривается автоматическое отключение портов, к которым присоединены неперестраиваемые низкоскоростные (10BASE-T) адаптеры. Некоторые концентраторы (самые сложные) могут автоматически перекоммутировать порты таким образом, чтобы сегменты со скоростью 10 Мбит/с обменивались информацией только между собой, а сегменты со скоростью 100 Мбит/с - между собой.
Отметим также, что помимо собственно определения типа сети и выбора максимально возможной скорости обмена автодиалог обеспечивает и некоторые дополнительные возможности.
В частности, он позволяет определять, почему нарушилась связь в процессе работы, а также обмениваться информацией об ошибках. Для передачи этой дополнительной информации используется тот же самый механизм, что и для основного автодиалога, но только после того, как установлен тип сети и скорость передачи. Данная функция называется «функцией следующей страницы» (Next Page function).
А теперь рассмотрим автодиалог несколько подробнее.
Обмен информацией при автодиалоге производится посылками (пакетами) FLP-импульсов, которыми кодируется 16-битное слово. Каждая посылка содержит от 17 до 33 импульсов, идентичных импульсам NLP, которые используются в 10BASE-T. Посылки имеют длительность около 2 мс и передаются с периодом 16,8 мс (Рисунок 8.21).
Для кодирования битов в FLP применяется следующий код. В начале каждого битового интервала передается импульс. В середине бита, соответствующего логической единице, передается еще один импульс. В середине бита, соответствующего логическому нулю импульса нет. Этот код иллюстрируется Рисунок 8.22. В начале посылки передается стартовый нулевой бит, именно поэтому общее количество импульсов в посылке FLP может изменяться в пределах от 17 до 33.
Временная диаграмма автодиалога и 10BASE-T
Рисунок 8.21. Временная диаграмма автодиалога и 10BASE-T
