Fast Ethernet і 100VG – AnyLAN

Класичний 10-мегабітний Ethernet улаштовував більшість користувачів протягом близько 15 років. Однак на початку 90-х років почала відчуватися його недостатня пропускна здатність. Для комп'ютерів на процесорах Intel 80286 або 80386 із шинами ISA (8 Мб/с) або EISA (32 Мб/с) пропускна здатність сегмента Ethernet становила 1/8 або 1/32 каналу "пам'ять-диск", і це добре узгоджувалося зі співвідношенням обсягів даних, оброблюваних локально, і даних, переданих по мережі. Для могутніших клієнтських станцій із шиною PCI (133 Мб/с) ця доля впала до 1/133, що було явно недостатньо. Тому багато сегментів 10-мегабітного Ethernet стали перевантаженими, реакція серверів у них значно впала, а частота виникнення колізій істотно зросла, ще більше знижуючи корисну пропускну здатність.

Назріла необхідність у розробці "нового" Ethernet, тобто технології, що була б такою же ефективною за співвідношенням ціна/якість при продуктивності 100 Мбіт/с. У результаті пошуків і досліджень фахівці розділилися на два табори, що зрештою привело до появи двох нових технологій – Fast Ethernet і l00 VG-AnyLAN. Вони відрізняються ступенем наступності із класичним Ethernet.

У 1992 році група виробників мережного устаткування, ураховуючи таких лідерів технології Ethernet, як SynOptics, 3Com і ряд інших, утворили некомерційне об'єднання Fast Ethernet Alliance для розробки стандарту нової технології, що повинна була в максимально можливому ступені зберегти особливості технології Ethernet.

Другий табір очолили компанії Hewlett-Packard і AT&T, які запропонували скористатися зручним випадком для усунення деяких відомих недоліків технології Ethernet. Через якийсь час до цих компаній приєдналася компанія IBM, що внесла пропозицію забезпечити в новій технології деяку сумісність із мережами Token Ring.

У комітеті 802 інституту IEEE у цей же час була сформована дослідницька група для вивчення технічного потенціалу нових високошвидкісних технологій. За період з кінця 1992 року й по кінець 1993 року група IEEE вивчила 100-мегабітні рішення, запропоновані різними виробниками. Поряд із пропозиціями Fast Ethernet Alliance група розглянула також і високошвидкісну технологію, запропоновану компаніями Hewlett-Packard і AT&T.

У центрі дискусій була проблема збереження випадкового методу доступу CSMA/CD. Пропозиція Fast Ethernet Alliance зберігала цей метод і тим самим забезпечувала наступність і погодженість мереж 10 Мбіт/с і 100 Мбіт/с. Коаліція HP і AT&T, що мала підтримку значно меншого числа виробників у мережній індустрії, чим Fast Ethernet Alliance, запропонувала зовсім новий метод доступу, названий Demand Priority –пріоритетний доступ на вимогу. Восени 1995 року обидві технології стали стандартами IEEE. Комітет IEEE 802.3 прийняв специфікацію Fast Ethernet як стандарт 802.3і, що не є самостійним стандартом, а становить доповнення до існуючого стандарту 802.3 у вигляді глав з 21 по 30. Комітет 802.12 прийняв технологію l00 VG-AnyLAN, що використовує новий метод доступу Demand Priority і підтримує кадри двох форматів – Ethernet і Token Ring.

Фізичний рівень технології Fast Ethernet

Усі відмінності технології Fast Ethernet від Ethernet зосереджені на фізичному рівні. Рівні MAC і LLC в Fast Ethernet залишилися абсолютно тими ж, і їх описують колишні глави стандартів 802.3 і 802.2.
Більш складна структура фізичного рівня технології Fast Ethernet викликана тим, що в ній використовуються три варіанти кабельних систем:

• волоконно-оптичний багатомодовий кабель, використовуються два волокна;
• кручена пара категорії 5, використовуються дві пари;
• кручена пара 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 й коаксіальний кабель, але мережа виходить більш дешевою й зручною в експлуатації. На більших відстанях оптичне волокно володіє набагато більш широкою смугою пропущення, чим коаксіальний кабель, а вартість мережі виходить ненабагато вищою, особливо якщо врахувати високі витрати на пошук і усунення несправностей у великій кабельній коаксіальній системі.
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 поширенням недорогих високошвидкісних технологій, але й бурхливим розвитком локальних мереж на основі комутаторів. При використанні комутаторів протокол Fast Ethernet може працювати в повнодуплексному режимі, у якому немає обмежень на загальну довжину мережі, а залишаються тільки обмеження на довжину фізичних сегментів, що з'єднують сусідні пристрої (адаптер – комутатор або 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 даному розділі розглядається напівдуплексний варіант роботи технології Fast Ethernet, що повністю відповідає визначенню методу доступу, описаному в стандарті 802.3.
У порівнянні з варіантами фізичної реалізації Ethernet (а їх налічується шість), в Fast Ethernet відмінності кожного варіанта від інших глибше – міняється як кількість провідників, так і методи кодування. А через те що фізичні варіанти Fast Ethernet створювалися одночасно, а не еволюційно, як для мереж Ethernet, то була можливість детально визначити ті підрівні фізичного рівня, які не змінюються від варіанта до варіанта, і ті підрівні, які специфічні для кожного варіанта фізичного середовища.
Офіційний стандарт 802. 3і встановив три різні специфікації для фізичного рівня Fast Ethernet і дав їм наступні назви:

• 100 Base-TX для двопарного кабелю на неекранованій кручений парі UTP категорії 5 або екранованій крученій парі STP Type 1;
• 100 Base-T4 для чотирьохпарного кабелю на неекранованій крученій парі UTP категорії 3, 4 або 5;
• 100 Base-FX для багатомодового оптоволоконного кабелю, використовуються два волокна.

Для всіх трьох стандартів справедливі наступні твердження й характеристики:

• Формати кадрів технології Fast Ethernet 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 й т. п.), вимірювані в бітових інтервалах, залишилися колишніми, тому зміни в розділи стандарту, що стосуються рівня MAC, не вносилися.

Ознакою вільного стану середовища є передача по ній символу Idle відповідного надлишкового коду (а не відсутність сигналів, як у стандартах Ethernet 10 Мбіт/с).
Фізичний рівень включає три елементи:

• рівень узгодження (reconciliation sublayer);
• незалежний від середовища інтерфейс (Media Independent Interface, MIL);
• 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 МП.
Пристрій фізичного рівня (PHY) складається, у свою чергу, з декількох підрівнів:

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

Інтерфейс МП підтримує незалежний від фізичного середовища спосіб обміну даними між підрівнем MAC і підрівнем PHY. Цей інтерфейс аналогічний за призначенням 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 МП розташовується між підрівнем MAC і підрівнями кодування сигналу, яких у стандарті Fast Ethernet три – FX, ТХ і Т4.
Роз'єм МП на відміну від роз'єму AUI має 40 контактів, максимальна довжина кабелю МП становить 1 м. Сигнали, передані по інтерфейсу МП, мають амплітуду 5 В.

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

Ця специфікація визначає роботу протоколу Fast Ethernet по багатомодовому оптоволокну в напівдуплексному й повнодуплексному режимах на основі добре перевіреної схеми кодування FDDI. Як і в стандарті FDDI, кожний вузол з'єднується з мережею двома оптичними волокнами, що йдуть від приймача (Rх) і від передавача (Тх).
Між спеціфікаціями 100 Base-FX і 100 Base-TX є багато спільною тому спільні для двох спеціфікацій властивості будуть даватися під узагальненою назвою 100 Base-FX/TX.
У той час як Ethernet зі швидкістю передачі 10 Мбіт/с використовує манчестерське кодування для подання 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 100 Base-FX/TX. При цьому методі кожні 4 біти даних підрівня MAC (які називають символами) представляються 5 бітами. Надлишковий біт дозволяє застосувати потенційні коди при поданні кожного з п'яти біт у вигляді електричних або оптичних імпульсів. Існування заборонених комбінацій символів дозволяє відбраковувати помилкові символи, що підвищує стійкість роботи мереж з l00 Base-FX/TX.
Для відділення кадру Ethernet від символів Idle використовується комбінація символів Start Delimiter (пари символів J (11000) і ДО (10001) коду 4В/5В, а після завершення кадру перед першим символом Idle вставляється символ Т.
Після перетворення 4-бітових порцій кодів MAC в 5-бітові порції фізичного рівня їх необхідно представити у вигляді оптичних або електричних сигналів у кабелі, що з'єднує вузли мережі. Специфікації 100 Base-FX і 100 Base-TX використовують для цього різні методи фізичного кодування – NRZI і MLT-3 відповідно (як і в технології FDDI при роботі через оптоволокно й кручену пару).

Фізичний рівень 100 Base-TX – кручена пара DTP Cat 5 або STP Type 1, дві пари

Як середовище передачі даних специфікація 100 Base-TX використовує кабель UTP категорії 5 або кабель STP Type 1. Максимальна довжина кабелю в обох випадках – 100 м.
Основні відмінності від специфікації l00 Base-FX – використання методу MLT-3 для передачі сигналів 5-бітових порцій коду 4В/5В по крученій парі, а також наявність функції автопереговорів для вибору режиму роботи порту. Схема автопереговорів дозволяє двом з'єднаним фізично пристроям, які підтримують кілька стандартів фізичного рівня, що ідрізняються бітовою швидкістю й 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 або комутатора.
Описана нижче схема Auto-negotiation сьогодні є стандартом технології 100Base-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.
Усього в цей час визначено 5 різних режимів роботи, які можуть підтримувати пристрої 100 Base-TX або 100 Base-T4 на кручених парах:

• 10Base-T – 2 пари категорії 3;
• 10Base-T full-duplex – 2 пари категорії 3;
• 100Base-TX – 2 пари категорії 5 (або Type 1ASTP);
• 100Base-T4 – 4 пари категорії 3;
• 100Base-TX full-duplex – 2 пари категорії 5 (або Type 1A TP).

Режим 10 Base-T має найнижчий пріоритет при переговірному процесі, а повнодуплексний режим 100 Base-T4 – найвищий. Переговірний 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 партнерові пачку спеціальних імпульсів Fast Link Pulse burst (FLP), у якому міститься 8-бітне слово, що кодує пропонований режим взаємодії, починаючи із самого пріоритетного, підтримуваного даним вузлом.