Fast Ethernet

Fast Ethernet - специфікація IEЕЕ 802.3 u офіційно прийнята 26 жовтня 1995 визначає стандарт протоколу канального рівня для мереж працюють при використанні як мідного, так і волоконно-оптичного кабелю зі швидкістю 100Мб / с. Нова специфікація є спадкоємицею стандарту Ethernet IEЕЕ 802.3, використовуючи такий же формат кадру, механізм доступу до середовища CSMA / CD і топологію зірка. Еволюція торкнулася декількох елементів конфігурації засобів фізичного рівня, що дозволило збільшити пропускну спроможність, включаючи типи застосовуваного кабелю, довжину сегментів і кількість концентраторів.

Історія

Класичний 10-мегабитный Ethernet влаштовував більшість користувачів на протязі близько 15 років. Проте на початку 90-х років почала відчуватися його недостатня пропускна спроможність. Для комп'ютерів на процесорах Intel 80286 або 80386 з шинами ISA (8 Мбайт/с) або EISA (32 Мбайт/с) пропускна спроможність сегменту Ethernet складала 1/8 або 1/32 каналу «пам'ять-диск», і це добре узгоджувалося із співвідношенням об'ємів даних, що обробляються локально, і даних, передаваних по мережі. Для могутніших клієнтських станцій з шиною PCI (133 Мбайт/с) ця частка впала до 1/133, що було явно недостатньо. Тому багато сегментів 10-мегабитного Ethernet стали переобтяженими, реакція серверів в них значно впала, а частота виникнення колізій істотно зросла, ще більш знижуючи корисну пропускну спроможність.

Назріла необхідність в розробці «нового» Ethernet, тобто технології, яка була б такою ж ефективною по співвідношенню ціна/якість при продуктивності 100 Мбіт/с. В результаті пошуків і досліджень фахівці розділилися на два табори, що врешті-решт привело до появи двох нових технологій - Fast Ethernet і 100VG-AnyLAN. Вони відрізняються ступенем спадкоємності з класичним Ethernet.

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

Другий табір очолили компанії Hewlett-Packard і AT&T, які запропонували скористатися слушною нагодою для усунення деяких відомих недоліків технології Ethernet. Через деякий час до цих компаній приєдналася компанія IBM, яка внесла свій внесок пропозицією забезпечити в новій технології деяку сумісність з мережами Token Ring.

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

В центрі дискусій була проблема збереження випадкового методу доступу CSMA/CD. Пропозиція Fast Ethernet Alliance зберігала цей метод і тим самим забезпечувала спадкоємність і узгодженість мереж 10 Мбіт/с і 100 Мбіт/с. Коаліція HP і AT&T, яка мала підтримку значно меншого числа виробників в мережевій індустрії, чим Fast Ethernet Alliance, запропонувала абсолютно новий метод доступу, названий Demand Priority - пріоритетний доступ на вимогу. Він істотно міняв картину поведінки вузлів в мережі, тому не зміг вписатися в технологію Ethernet і стандарт 802.3, і для його стандартизації був організований новий комітет IEEE 802.12.

Осінню 1995 року обидві технології стали стандартами IEEE. Комітет IEEE 802.3 прийняв специфікацію Fast Ethernet як стандарт 802.3и, який не є самостійним стандартом, а є доповненням до існуючого стандарту 802.3 у вигляді розділів з 21 по 30. Комітет 802.12 прийняв технологію 100VG-AnyLAN, яка використовує новий метод доступу Demand Priority і підтримує кадрів двох форматів - Ethernet і Token Ring.

Технология

В стандарте первых версий (Ethernet v1.0 и Ethernet v2.0) указано, что в качестве передающей среды используется коаксиальный кабель, в дальнейшем появилась возможность использовать витую пару и оптический кабель.

Причинами перехода на витую пару были:

возможность работы в дуплексном режиме; низкая стоимость кабеля «витой пары»; более высокая надёжность сетей при неисправности в кабеле; большая помехозащищенность при использовании дифференциального сигнала; возможность питания по кабелю маломощных узлов, например IP-телефонов (стандарт Power over Ethernet, POE); отсутствие гальванической связи (прохождения тока) между узлами сети. При использовании коаксиального кабеля в российских условиях, где, как правило, отсутствует заземление компьютеров, применение коаксиального кабеля часто сопровождалось пробоем сетевых карт, и иногда даже полным «выгоранием» системного блока. Причиной перехода на оптический кабель была необходимость увеличить длину сегмента без повторителей.

Метод управления доступом (для сети на коаксиальном кабеле) — множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий (CSMA/CD, Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), скорость передачи данных 10 Мбит/с, размер пакета от 72 до 1526 байт, описаны методы кодирования данных. Режим работы полудуплексный, то есть узел не может одновременно передавать и принимать информацию. Количество узлов в одном разделяемом сегменте сети ограничено предельным значением в 1024 рабочих станции (спецификации физического уровня могут устанавливать более жёсткие ограничения, например, к сегменту тонкого коаксиала может подключаться не более 30 рабочих станций, а к сегменту толстого коаксиала — не более 100). Однако сеть, построенная на одном разделяемом сегменте, становится неэффективной задолго до достижения предельного значения количества узлов, в основном по причине полудуплексного режима работы.

В 1995 году принят стандарт IEEE 802.3u Fast Ethernet со скоростью 100 Мбит/с и появилась возможность работы в режиме полный дуплекс. В 1997 году был принят стандарт IEEE 802.3z Gigabit Ethernet со скоростью 1000 Мбит/с для передачи по оптоволокну и еще через два года для передачи по витой паре.

Відмінності Fast Ethernet від 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, покажемо тільки кілька варіантів її фізичного рівня.

Фізичний рівень технології Fast Ethernet

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.

Офіційний стандарт 802.3u встановив три різних специфікації для фізичного рівня Fast Ethernet і дав їм наступні назви :

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

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

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

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).

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

ТРИ ВИДИ FAST ETHERNET

Офіційний стандарт 802.3u встановив три різних специфікації для фізичного рівня Fast Ethernet і дав їм наступні назви (рис. 2):

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

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

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

Рис. 2 - Структура фізичного рівня Fast Ethernet

Для всіх трьох стандартів справедливі наступні твердження і характеристики.

- Формати кадрів технології Fast Ethernet не відрізняються від форматів кадрів технологій 10-мегабитного Ethernet.

- Міжкадровий інтервал (IPG) рівний 0,96 мкс, а бітовий інтервал рівний 10 нс. Всі тимчасові параметри алгоритму доступу (інтервал відстрочення, час передачі кадру мінімальної довжини і т. п.), зміряні 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 відповідної надмірної коди (а не відсутність сигналів, як в стандартах Ethernet 10 Мбіт/с).

Фізичний рівень включає три елементи:

- рівень узгодження (reconciliation sublayer);

- незалежний від середовища інтерфейс (Media Independent Interface, MII);

- 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 MII.

Пристрій фізичного рівня (PHY) полягає, у свою чергу, з декількох підрівнів (див. рис. 1):

- підрівня логічного кодування даних, такого, що перетворює що поступають від рівня MAC байти в символи коди 4В/5В або 8В/6Т (обидві коди використовуються в технології Fast Ethernet);

- підрівнів фізичного приєднання і підрівня залежності від фізичного середовища (PMD), які забезпечують формування сигналів відповідно до методу фізичного кодування, наприклад NRZI або MLT-3;

- підрівня автопереговорів, який дозволяє двом взаємодіючим портам автоматично вибрати найбільш ефективний режим роботи, наприклад, напівдуплексний або повнодуплексний (цей підрівень є факультативним).

Інтерфейс MII 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 Мii розташовується між підрівнем MAC і підрівнями кодування сигналу, яких в стандарті Fast Ethernet три, - FX, ТХ і Т4.

Роз'їм Мii на відміну від роз'єму AUI має 40 контактів, максимальна довжина кабелю Мii складає один метр. Сигнали, передавані по інтерфейсу Мii, мають амплітуду 5 Ст.

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

Ця специфікація визначає роботу протоколу Fast Ethernet по багатомодовому оптоволокну в напівдуплексному і повнодуплексному режимах. 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 100Base-FX і 100Base-TX є багато загального, тому загальні для двох специфікацій властивості даватимуться під узагальненою назвою 100Base-FX/TX.

Тоді як Ethernet із швидкістю передачі 10 Мбіт/с використовує манчестерське кодування для представлення даних при передачі по кабелю, в стандарті Fast Ethernet визначений інший метод кодування - 4В/5В. При цьому методі кожні 4 бита даних підрівня MAC (званих символами) представляються 5 бітами. Надмірний біт дозволяє застосувати потенційні коди при уявленні кожного з п'яти битий у вигляді електричних або оптичних імпульсів. Існування заборонених комбінацій символів дозволяє отбраковывать помилкові символи, що підвищує стійкість роботи мереж з 100Base-FX/TX.

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.

ВИСНОВКИ

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.