Комп'ютерні мережі -Мережа Fast Ethernet

У комп'ютерних мережах, Fast Ethernet це збірний термін для позначення ряду стандарту Ethernet, що здійснюють рух за номінальною швидкістю 100 Мбіт / с, у порівнянні з оригіналом Швидкість Ethernet 10 Мбіт / с Of the 100 megabit Ethernet standards 100baseTX (T="Twisted" Pair Copper) is by far the most common and is supported by the vast majority of Ethernet hardware currently produced. З 100 мегабіт стандарту Ethernet 100BaseTX (T = "Twisted" мідній парі) є найбільш поширеним та підтримується переважною більшістю апаратних Ethernet вироблених в даний час. Full duplex fast Ethernet is sometimes referred to as "200 Mbit/s" though this is somewhat misleading as that level of improvement will only be achieved if traffic patterns are symmetrical. Повний дуплекс швидкого Ethernet іноді називають "200 Мбіт / с", хоча це дещо вводить в оману, як і рівень поліпшення будуть досягнуті тільки, якщо трафік симетричні. Fast Ethernet was introduced in 1995 [ 1 ] and remained the fastest version of Ethernet for three years before being superseded by gigabit Ethernet . [ 2 ] Fast Ethernet була введена в 1995 році і як і раніше найшвидшу версію Ethernet протягом трьох років до того, замінено Gigabit Ethernet. Ідея технології Fast Ethernet народилася в 1992 році. У серпні наступного року група виробників об'єдналася в Союз Fast Ethernet (Fast Ethernet Alliance, FEA). Метою FEA було якнайскоріше дістати формальне схвалення Fast Ethernet від комітету 802.3 Інституту інженерів з електротехніки і радіоелектроніки (Institute of Electrical and Electronic Engineers, IEEE), оскільки саме цей комітет займається стандартами для Ethernet. Успіх супроводив новій технології і підтримуючому її альянсу: у червні 1995 року всі формальні процедури були завершені, і технології Fast Ethernet привласнили найменування 802.3u.

Загальний дизайн

A fast Ethernet adapter can be logically divided into a Media Access Controller (MAC) which deals with the higher level issues of medium availability and a Physical Layer Interface ( PHY ). Швидкого Ethernet адаптера можна логічно розділити на Media Access Controller (MAC), яка займається питаннями вище рівня середньої доступності та інтерфейс фізичного рівня (PHY). The MAC may be linked to the PHY by a 4 bit 25 MHz synchronous parallel interface known as a Media Independent Interface (MII). MAC можуть бути пов'язані з PHY по 4 біт 25 МГц паралельний інтерфейс синхронної відома як Media Independent Interface (MII). Repeaters ( hubs ) are also allowed and connect to multiple PHYs for their different interfaces. Повторювачі (концентратори), також допускаються і підключатися до кількох фізичного рівня для їх різними інтерфейсами. The MII may (rarely) be an external connection but is usually a connection between ICs in a network adapter or even within a single IC. MII може (рідко) бути зовнішні зв'язки, але звичайно існує зв'язок між ІС в мережевому адаптері або навіть у межах однієї мікросхеми. The specs are written based on the assumption that the interface between MAC and PHY will be a MII but they do not require it. Специфікації написані засновані на припущенні, що взаємодія між MAC і PHY буде MII, але вони не вимагають. The MII fixes the theoretical maximum data bit rate for all versions of fast Ethernet to 100 Mbit/s. MII виправлення теоретичну максимальну швидкість передачі даних швидкістю для всіх версій швидкого Ethernet до 100 Мбіт / с The data signaling rate actually observed on real networks is less than the theoretical maximum, due to the necessary header and trailer (addressing and error-detection bits) on every frame , the occasional "lost frame" due to noise, and time waiting after each sent frame for other devices on the network to finish transmitting. Дані сигналізації ставки дійсно спостерігається на реальних мережах менше теоретичного максимуму, у зв'язку з необхідним заголовком і причепа (розгляд та виявлення помилок біт) на кожен кадр, час від часу "втратив кадр" з-за шуму, а час очікування після кожної відправлено кадрів для інших пристроїв у мережі, щоб завершити передачу.

Фізичний рівень технології Fast Ethernet

Всі відмінності технології Fast Ethernet від Ethernet зосереджені на фізичному рівні (мал. 1). Рівні MAC і LLC у Fast Ethernet залишилися абсолютно тими ж, і їх описують колишні глави стандартів 802.3 і 802.2. Тому розглядаючи технологію Fast Ethernet, я покажу тільки кілька варіантів її фізичного рівня.

Більш складна структура фізичного рівня технології Fast Ethernet викликана тим, що в ній використовуються три варіанти кабельних систем:

• волоконно-оптичний багатомодовый кабель, використовуються два волокна;
• кручена пари категорії 5, використовуються дві пари;
• кручена пари категорії 3, використовуються чотири пари.

Коаксіальний кабель, що дав світу першу мережу Ethernet, у число дозволених середовищ передачі даних нової технології Fast Ethernet не потрапив. Це загальна тенденція багатьох нових технологій, оскільки на невеликих відстанях кручена пара категорії 5 дозволяє передавати дані з тією же швидкістю, що і коаксіальний кабель, але мережа виходить більш дешевою і зручною в експлуатації. На великих відстанях оптичне волокно володіє набагато більш широкою смугою пропущення, чим коаксіал, а вартість мережі виходить ненабагато вище, особливо якщо врахувати високі витрати на пошук і усунення несправностей у великій кабельній коаксіальній системі. Відмова від коаксіального кабелю привела до того, що мережі Fast Ethernet завжди мають ієрархічну деревоподібну структуру, побудовану на концентраторах, як і мережі l0-Base-T/l0Base-F. Основною відмінністю конфігурацій мереж Fast Ethernet є скорочення діаметра мережі приблизно до 200 м, що порозумівається зменшенням часу передачі кадру мінімальної довжини в 10 разів за рахунок збільшення швидкості передачі в 10 разів у порівнянні з 10-мегабітним Ethernet. Проте ця обставина не дуже перешкоджає побудові великих мереж на технології Fast Ethernet. Справа в тому, що середина 90-х років відзначена не тільки широким розповсюдженням недорогих високошвидкісних технологій, але і бурхливим розвитком локальних мереж на основі комутаторів. При використанні комутаторів протокол Fast Ethernet може працювати в повнодуплексному режимі, у який немає обмеження на загальну довжину мережі, а залишаються тільки обмеження на довжину фізичних сегментів, що з'єднують сусідні пристрої (адаптер -  комутатор чи комутатор - комутатор). Тому при створенні магістралей локальних мереж великої довжини технологія Fast Ethernet також активно застосовується, але тільки в повнодуплексному варіанті, разом з комутаторами. У порівнянні з варіантами фізичної реалізації Ethernet (а їх нараховується шість), у Fast Ethernet відмінності кожного варіанта від інших глибше — міняється як кількість провідників, так і методи кодування. А тому що фізичні варіанти Fast Ethernet створювалися одночасно, а не еволюційно, як для мереж Ethernet, то малась можливість детально визначити ті підрівні фізичного рівня, що не змінюються від варіанта до варіанта, і ті підрівні, що специфічні для кожного варіанта фізичного середовища. Офіційний стандарт 802.3u встановив три різних специфікації для фізичного рівня Fast Ethernet і дав їм наступні назви (мал.2):

1. l00Base-TX для двопарного кабелю на неекранованій кручений парі UTP категорії 5 чи екранованій кручений парі STP Type 1;
2. 100Base-T4 для кабелю з чотирьох пар на неекранованій кручений парі UTP категорії 3, 4 чи 5;
3. l00Base-FX для багатомодового оптоволоконого кабелю, використовуються два волокна.

Для всіх трьох стандартів справедливі наступні твердження і характеристики.

• Формати кадрів технології Fast Ethernet не відрізняються від форматів кадрів технологій 10-мегабітного Ethernet.
• Міжкадровий інтервал (IPG) дорівнює 0,96 мкс, а бітовий інтервал дорівнює 10 нс. Усі тимчасові параметри алгоритму доступу (інтервал відстрочки, час передачі кадру мінімальної довжини і т.п.), вимірюються в бітових інтервалах, залишилися старими, тому зміни в розділи стандарту, що стосуються рівня MAC, не вносилися.
• Ознакою вільного стану середовища є передача по ньому символу Idle відповідного надлишкового коду (а не відсутність сигналів, як у стандартах Ethernet 10 Мбіт/с).

Фізичний рівень включає три елементи:

1. рівень узгодження (reconciliation sublayer);
2. незалежний від середовища інтерфейс (Media Independent Interface, МП);
3. пристрій фізичного рівня (Physical layer device, PHY).

Рівень узгодження потрібний для того, щоб рівень MAC, розрахований на інтерфейс AUI, зміг працювати з фізичним рівнем через інтерфейс МІІ.

Пристрій фізичного рівня (PHY) складається, у свою чергу, з декількох підрівнів

• підрівня логічного кодування даних, що перетворює поступаючи від рівня MAC байти в символи коду 4В/5В чи 8В/6Т (обидва коди використовуються в технології Fast Ethernet);
• підрівні фізичного приєднання і підрівня залежності від фізичного середовища (PMD), що забезпечують формування сигналів відповідно до методу фізичного кодування, наприклад NRZI чи MLT-3;
• підрівня автопереговорів, що дозволяє двом взаємодіючим портам автоматично вибрати найбільш ефективний режим роботи, наприклад, напівдуплексний чи повнодуплексний (цей підрівень є факультативним).

Інтерфейс МІІ підтримує незалежний від фізичного середовища спосіб обміну даними між підрівнем MAC і підрівнем PHY. Цей інтерфейс аналогічний по призначенню інтерфейсу AUI класичного Ethernet за винятком того, що інтерфейс AUI розташовувався між підрівнем фізичного кодування сигналу (для будь-яких варіантів кабелю використовувався однаковий метод фізичного кодування — манчестерський код) і підрівнем фізичного приєднання до середовища, а інтерфейс МІІ розташовується між підрівнем MAC і підрівнями кодування сигналу, яких у стандарті Fast Ethernet три — FX, ТХ і Т4. Роз'єм МІІ на відміну від рз'єму AUI має 40 контактів, максимальна довжина кабелю МІІ складає один метр. Сигнали, передані по інтерфейсі МП, мають амплітуду 5 В.

ТРИ ВИДИ FAST ETHERNET

Фізичний рівень 100Base-FX - багатомодове оптоволокно, два волокна

Ця специфікація визначає роботу протоколу Fast Ethernet по багатомодовому оптоволокну в напівдуплексному і повнодуплексному режимах на основі добре перевіреної схеми кодування FDDI. Як і в стандарті FDDI, кожен вузол з'єднується з мережею двома оптичними волокнами, що йдуть від приймача (Rx) і від передавача (Тх). Між специфікаціями l00Base-FX і l00Base-TX є багато загального, тому загальні для двох специфікацій властивості будуть даватися під узагальненою назвою l00Base-FX/TX. У той час як Ethernet зі швидкістю передачі 10 Мбіт/с використовує манчестерське кодування для представлення даних при передачі по кабелю, у стандарті Fast Ethernet визначений інший метод кодування — 4В/5В. Цей метод уже показав свою ефективність у стандарті FDDI і без змін перенесений у специфікацію l00Base-FX/TX. При цьому методі кожні 4 біти даних підрівня MAC (що звуться символами) представляються 5 бітами. Надлишковий біт дозволяє застосувати потенційні коди при представленні кожного з п'яти біт у виді електричних чи оптичних імпульсів. Існування заборонених комбінацій символів дозволяє відбраковувати помилкові символи, що підвищує стійкість роботи мереж з l00Base-FX/TX.

Для відділення кадру Ethernet від символів Idle використовується комбінація символів Start Delimiter (пара символів J (11000) і К (10001) коду 4В/5В, а після завершення кадру перед першим символом Idle вставляється символ Т (мал. 3).

Мал 3. Неперервний потік даних специфікації 100Base-FX/TX

Після перетворення 4-бітових порцій кодів MAC у 5-бітові порції фізичного рівня їх необхідно представити у вигляді оптичних чи електричних сигналів у кабелі, що з'єднує вузли мережі. Специфікації l00Base-FX і l00Base-TX використовують для цього різні методи фізичного кодування — NRZI і MLT-3 відповідно (як і в технології FDDI при роботі через оптоволокно і кручену пару).

Фізичний рівень 100Bose-TX - кручена пара UTP Cat 5 чи STP Type 1, дві пари

Як середовище передачі даних специфікація l00Base-TX використовує кабель UTP категорії 5 чи кабель STP Type 1. Максимальна довжина кабелю в обох випадках — 100 м.

Основні відмінності від специфікації l00Base-FX — використання методу MLT-3 для передачі сигналів 5-бітових порцій коду 4В/5В по крученій парі, а також наявність функції автопереговорів (Auto-negotiation) для вибору режиму роботи порту. Схема автопереговорів дозволяє двом з'єднаним фізично пристроям, що підтримують кілька стандартів фізичного рівня, які відрізняються бітовою швидкістю і кількістю кручених пар, вибрати найбільш вигідний режим роботи. Звичайно процедура автопереговорів відбувається при приєднанні мережного адаптера, що може працювати на швидкостях 10 і 100 Мбіт/с, до концентратора чи комутатора.

Описана нижче схема Auto-negotiation сьогодні є стандартом технології l00Base-T. До цього виробники застосовували різні власні схеми автоматичного визначення швидкості роботи взаємодіючих портів, які не були сумісні. Прийняту як стандарт схему Auto-negotiation запропонувала спочатку компанія National Semiconductor за назвою NWay.

Всього в даний час визначено 5 різних режимів роботи, що можуть підтримувати пристрої l00Base-TX чи 100Base-T4 на кручених парах:

• l0Base-T — 2 пари категорії 3;
• l0Base-T full-duplex - 2 пари категорії 3;
• l00Base-TX - 2 пари категорії 5 (чи Type 1A STP);
• 100Base-T4 - 4 пари категорії 3;
• l00Base-TX full-duplex - 2 пари категорії 5 (чи Type 1A STP).

Режим l0Base-T має самий низький пріоритет у переговорному процесі, а повнодуплексний режим 100Base-T4 — найвищий. Переговорний процес відбувається при включенні живлення пристрою, а також може бути ініційований у будь-який момент модулем керування пристрою.

Пристрій, що почав процес auto-negotiation, посилає своєму партнеру пачку спеціальних імпульсів Fast Link Pulse burst (FLP), у якому міститься 8-бітне слово, що кодує запропонований режим взаємодії, починаючи із самим пріоритетним, який підтримується даним вузлом.

Якщо вузол-партнер підтримує функцію auto-negotuiation і також може підтримувати запропонований режим, він відповідає пачкою імпульсів FLP, у якій підтверджує даний режим, і на цьому переговори закінчуються. Якщо ж вузол-партнер може підтримувати менш пріоритетний режим, то він вказує його у відповіді, і цей режим вибирається як робочий. Таким чином, завжди вибирається найбільш пріоритетний загальний режим вузлів.

Вузол, що підтримує тільки технологію l0Base-T, кожні 16 мс посилає манчестерські імпульси для перевірки цілісності лінії, що зв'язує його із сусіднім вузлом. Такий вузол не розуміє запит FLP, що робить йому вузол з функцією Auto-negotiation, і продовжує посилати свої імпульси. Вузол, що одержав у відповідь на запит FLP тільки імпульси перевірки цілісності лінії, розуміє, що його партнер може працювати тільки по стандарті l0Base-T, і встановлює цей режим роботи і для себе.

Фізичний рівень 100Bose-T4 - кручена пара UTP Cat 3, чотири пари

Специфікація 100Base-T4 була розроблена для того, щоб можна було використовувати для високошвидкісного Ethernet наявну проводку на кручений парі категорії 3. Ця специфікація дозволяє підвищити загальну пропускну здатність за рахунок одночасної передачі потоків біт по всім 4 парам кабелю.

Специфікація 100Base-T4 з'явилася пізніше інших специфікацій фізичного рівня Fast Ethernet. Розробники цієї технології в першу чергу хотіли створити фізичні специфікації, найбільш близькі до специфікацій l0Base-T і l0Base-F, що працювали на двох лініях передачі даних: двох парах чи двох волокнах. Для реалізації роботи з двох кручених пар довелося перейти на більш якісний кабель категорії 5.

У той же час розробники конкуруючої технології l00VG-AnyLAN зробили ставку на роботу з крученою парою категорії 3; сама головна перевага складалася не стільки у вартості, а в тому, що вона була вже прокладена в великій кількості будинків. Тому після випуску специфікацій l00Base-TX і l00Base-FX розробники технології Fast Ethernet реалізували свій варіант фізичного рівня для крученої пари категорії 3.

Замість кодування 4В/5В в цьому методі використовується кодування 8В/6Т, що має більш вузький спектр сигналу і при швидкості 33 Мбіт/с укладається в смугу 16 Мгц крученої пари категорії 3 (при кодуванні 4В/5В спектр сигналу в цю смугу не вкладається). Кожні 8 біт інформації рівня MAC кодуються 6-ю трійковими цифрами (ternary symbols), тобто цифрами, що мають три стани. Кожна трійкова цифра має тривалість 40 нс. Група з 6-ти трійкових цифр потім передається на одну з трьох передавальних кручених пар, незалежно і послідовно. Четверта пара завжди використовується для прослуховування несучої частоти з метою виявлення колізії. Швидкість передачі даних по кожній із трьох передавальних пар дорівнює 33,3 Мбіт/с, тому загальна швидкість протоколу 100Base-T4 складає 100 Мбіт/с. У той же час через прийнятий спосіб кодування швидкість зміни сигналу на кожній парі дорівнює всього 25 Мбод, що і дозволяє використовувати кручену пару категорії 3.

На мал. 3 показане з'єднання порту MDI мережного адаптера 100Base-T4 з портом MDI-X концентратора (приставка Х говорить про те, що в цього роз'єму  приймача і передавача міняються парами кабелю в порівнянні з роз'ємами мережного адаптера, що дозволяє простіше з'єднувати пари проводів у кабелі — без перехрещування). Пари 1-2 завжди потрібні для передачі даних від порту MDI до порту MDI-X, пари 3-6 для прийому даних портом MDI від порту MDI-X, а пари 4-5 і 7-8 є двонаправленими і використовуються як для прийому, так і для передачі, в залежності від потреби.

БІГУН НА КОРОТКІ ДИСТАНЦІЇ

Хоча Fast Ethernet і є продовженням стандарту Ethernet, перехід від мережі 10BaseT до 100BaseT не можна розглядати як механічну заміну устаткування - для цього можуть потрібно зміни в топології мережі.

Теоретична межа діаметру сегменту мережі Fast Ethernet складає 250 метрів; це всього лише 10 відсотків теоретичної межі розміру мережі Ethernet (2500 метрів). Дане обмеження виникає з характеру протоколу CSMA/CD і швидкості передачі 100Мбит/с. Як вже наголошувалося раніше, передавальна дані робоча станція повинна прослуховувати мережу протягом часу, що дозволяє переконатися в тому, що дані досягли станції призначення. У мережі Ethernet з пропускною спроможністю 10 Мбіт/с (наприклад 10Base5) проміжок часу, необхідний робочій станції для прослуховування мережі на предмет конфлікту, визначається відстанню, яка 512-бітовий кадр (розмір кадру заданий в стандарті Ethernet) пройде за час обробки цього кадру на робочій станції. Для мережі Ethernet з пропускною спроможністю 10 Мбіт/с ця відстань рівно 2500 метрів (див. Мал. 1).

З іншого боку, той же самий 512-бітовий кадр (стандарт 802.3u задає кадр того ж розміру, що і 802.3, тобто в 512 біт), передаваний робочою станцією в мережі Fast Ethernet, пройде всього 250 м, перш ніж робоча станція завершить його обробку (див. Мал. 2). Якби приймаюча станція була віддалена від передавальної станції на відстань понад 250 м, то кадр міг би вступити в конфлікт з іншим кадром на лінії де-небудь далі, а передавальна станція, завершивши передачу, вже не сприйняла б цей конфлікт. Тому максимальний діаметр мережі 100BaseT складає 250 метрів (див. Рис.3).

Щоб використовувати допустиму дистанцію, буде потрібно два повторітеля для з'єднання всіх вузлів. Згідно стандарту, максимальна відстань між вузлом і повторітелем складає 100 метрів; у Fast Ethernet, як і в 10BaseT, відстань між концентратором і робочою станцією не повинна перевищувати 100метров. Оскільки сполучні пристрої (повторітелі) вносять додаткові затримки, реальна робоча відстань між вузлами може опинитися ще менше. Тому представляється розумним брати всі відстані з деяким запасом. Для роботи на великих відстанях доведеться придбати оптичний кабель. Наприклад, устаткування 100BaseFX в напівдуплексному режимі дозволяє з'єднати комутатор з іншим комутатором або кінцевою станцією, що знаходиться на відстані до 450 метрів один від одного. Встановивши повнодуплексний 100BaseFX, можна з'єднати два мережеві пристрої на відстані до двох кілометрів.

БРЕХЛИВА ШВИДКІСТЬ

Підсумовуючи все вищесказане, відмітимо, що, як нам здається, Fast Ethernet найбільш хороший для вирішення проблем високих пікових навантажень. Наприклад, якщо хтось з користувачів працює з САПР або програмами обробки зображень і потребує підвищення пропускної спроможності, то Fast Ethernet може виявитися хорошим виходом з положення. Проте якщо проблеми викликані надмірним числом користувачів в мережі, то 100BaseT починає гальмувати обмін інформацією при приблизно 50-процентному завантаженні сеті- іншими словами, на тому ж рівні, що і 10BaseT. Але врешті-решт, адже це не більше ніж розширення 10BaseT.