Стандартні сегменти Fast Ethernet

12. Лекція: Стандартні сегменти Fast Ethernet.

Активні елементи мережі

(репітери, концентратори, комутатори, мости та маршрутизатори)

Апаратура 100BASE-TX

Стандарт Fast Ethernet IEEE 802.3u з'явився значно пізніше за стандарт Ethernet – в 1995 році. Його розробка в першу чергу була пов'язана з вимогою підвищення швидкості передачі інформації. Проте перехід з Ethernet на Fast Ethernet дозволяє не тільки підвищити швидкість передачі, але й істотно відсунути межу перевантаження мережі (що зазвичай набагато важливіше). Тому популярність Fast Ethernet постійно росте.

Разом з тим треба враховувати, що стандартні сегменти Fast Ethernet мають свої особливості і недоліки, які далеко не очевидні, але які обов'язково треба враховувати. Творці Fast Ethernet зробили все можливе для полегшення переходу на нову швидкість, проте, в якомусь сенсі Fast Ethernet – це вже інша, нова мережа.

Якщо порівнювати набір стандартних сегментів Ethernet і Fast Ethernet, то головна відмінність – повна відмова в Fast Ethernet від шинних сегментів і коаксіального кабелю. Залишаються тільки сегменти на витій парі і оптоволоконні сегменти.

Стандарт 100BASE-TX визначає мережа з топологією пасивна зірка і використанням подвоєної витої пари.

Схема об'єднання комп'ютерів в мережу 100BASE-TX практично нічим не відрізняється від схеми за стандартом 10BASE-T (мал. 12.1). Проте, в цьому випадку необхідне застосування кабелів з неекранованими витими парами (UTP) категорії 5 або вище, що пов'язане з необхідною пропускною спроможністю кабелю. В даний час це найпопулярніший тип мережі Fast Ethernet.

Для приєднання кабелів так само, як і у разі 10BASE-T використовуються 8-контактні роз'єми типу RJ-45. Довжина кабелю так само не може перевищувати 100 метрів (стандарт, правда, рекомендує обмежуватися довжиною сегменту в 90 метрів, щоб мати 10-процентний запас) .Також використовується топологія пасивна зірка з концентратором в центрі. Тільки мережеві адаптери повинні бути Fast Ethernet, і концентратор повинен бути розрахований на підключення сегментів 100BASE-TX. Саме тому рекомендується навіть при установці мережі 10BASE-T прокладати кабель категорії 5.

Мал. 12.1. Схема об'єднання комп'ютерів за стандартом 100BASE-TX

З восьми контактів роз'єму RJ-45 використовується тільки 4 контакти (табл. 12.1): два для передачі інформації (TX+ і TX-) і два для прийому інформації (RX+ і RX-). Передача проводиться диференціальними сигналами. Для передачі використовується код 4В/5В, такий же, як в мережі FDDI, що дозволяє понизити частоту зміни сигналів в порівнянні з манчестерським кодом. Це вже серйозний крок убік від первинного стандарту IEEE 802.3.

Таблиця 12.1. Призначення контактів роз'єму типу RJ-45
Контакт	Призначення	Колір дроту
1	TX+	Білий/оранжевий
2	TX-	Оранжевий/білий
3	RX+	Білий/зелений
4	Не використовується
5	Не використовується
6	RX-	Зелений/білий
7	Не використовується
8	Не використовується

Для контролю цілісності мережі в 100BASE-TX передбачена передача в інтервалах між мережевими пакетами спеціальних сигналів (FLP– Fast Link Pulse). Але на відміну від 10BASE-T ці сигнали виконують також функцію автоматичного узгодження швидкості передачі апаратних засобів (Auto-Negotiation).

Апаратура 100BASE-T4

Основна відмінність апаратури 100BASE-T4 від 100BASE-TX полягає в тому, що передача проводиться не по двох, а по чотирьох неекранованих витих парах (UTP). При цьому кабель може бути менш якісним, чим у разі 100BASE-TX (категорії 3, 4 або 5). Прийнята в 100BASE-T4 система кодування сигналів забезпечує ту ж саму швидкість 100 Мбіт/с на будь-якому з цих кабелів, хоча стандарт рекомендує, якщо є така можливість, все-таки використовувати кабель категорії 5.

Схема об'єднання комп'ютерів в мережу нічим не відрізняється від 100BASE-TX (мал. 12.1). Комп'ютери приєднуються до концентратора по схемі пасивної зірки. Довжина кабелів так само не може перевищувати 100 метрів (стандарт і в цьому випадку рекомендує обмежуватися 90 метрами для 10-процентного запасу).

Як і у разі 100BASE-TX, для підключення мережевого кабелю до адаптера (трансівера) і до концентратора використовуються 8-контактні роз'єми типу RJ-45. Але в даному випадку задіяні вже все 8 контактів роз'єму. Призначення контактів роз'ємів представлене в таблиці 12.3.

Таблиця 12.3. Призначення контактів роз'єму типу RJ-45 для сегменту 100BASE-T4
Контакт	Призначення	Колір дроту
1	TX_D1+	Білий / оранжевий
2	TX_D1–	Оранжевий / білий
3	RX_D2+	Білий / зелений
4	BI_D3+	Блакитний / білий
5	BI_D3–	Білий / блакитний
6	RX_D2–	Зелений / білий
7	BI_D4+	Білий / коричневий
8	BI_D4–	Коричневий / білий

TX – передача даних, RX – прийом даних

BI – двонаправлена передача

Обмін даними йде по одній передавальній витій парі, по одній приймальні витій парі і по двох двонаправлених витих парах з використанням трирівневих диференціальних сигналів.Для реалізації передачі інформації із швидкістю 100 Мбіт/с по кабелю з малою смугою пропускання (категорії 3) в сегменті 100BASE-T4 використовується оригінальний принцип кодування інформації, 8В/6Т. Його ідея полягає в тому, що 8 бітів, які треба передати, перетворяться в 6 тернарных (трирівневих з рівнями -3,5 У +3,5 У і 0 В) сигналів, які потім передаються за два такти по трьох витих парах. При шестирозрядному тризначному коді загальне число можливих станів рівне 36 = 729, що більше, ніж 28 = 256, тобто жодних проблем через зменшення кількості розрядів не виникає. В результаті по кожній витій парі передається інформація із швидкістю 25 Мбіт/с, тобто потрібна смуга пропускання всього 12,5 Мгц (мал. 12.5). Додатково сигнали, передавані в кабель, кодуються по методу MLT-3.

Мал. 12.5. Кодування інформації 8В/6Т в сегменті 100BASE-T4

Для передачі інформації одночасно використовуються дві двонаправлені виті пари (BI_D3 і BI_D4) і одна однонаправлена (TX_D1 або RX_D2). Четверта вита пара, що не бере участь в передачі інформації (TX_D1 або RX_D2) застосовується для виявлення колізій (мал. 12.6).

Мал. 12.6. Використання ліній зв'язку при передачі і прийомі

Апаратура 100BASE-FX

Застосування оптоволоконного кабелю в сегменті 100BASE-FX дозволяє істотно збільшити протяжність мережі, а також позбавитися від електричних наведень і підвищити секретність передаваної інформації.

Апаратура 100BASE-FX дуже близька до апаратури 10BASE-FL. Так само тут використовується топологія пасивна зірка з підключенням комп'ютерів до концентратора за допомогою двох різноспрямованих оптоволоконних кабелів (мал. 12.7).

Мал. 12.7. Підключення комп'ютерів до мережі 100BASE-FX

Між мережевими адаптерами і кабелями можливе включення виносних трансіверів. Як і у разі сегменту 10BASE-FL, оптоволоконні кабелі підключаються до адаптера (трансівера) і до концентратора за допомогою роз'ємів типу SC, ST або FDDI. Для приєднання роз'ємів SC і FDDI досить просто вставити їх в гніздо, а роз'єми ST мають байонетний механізм.

Максимальна довжина кабелю між комп'ютером і концентратором складає 412 метрів, причому це обмеження визначається не якістю кабелю, а встановленими тимчасовими співвідношеннями. Згідно стандарту, застосовується багатомодовий або одномодовий кабель з довжиною хвилі світла 1,35 мкм. У останньому випадку втрати потужності сигналу в сегменті (у кабелі і роз'ємах) не повинні перевищувати 11 дБ. При цьому треба враховувати, що втрати в кабелі складають 1—2 дБ на кілометр довжини, а втрати в роз'ємі – від 0,5 до 2 дБ (за умови, що роз'єм встановлений якісно).

Як і в інших сегментах Fast Ethernet, в 100BASE-FX передбачений контроль цілісності мережі, для чого в проміжках між мережевими пакетами по кабелю передається спеціальний сигнал. Цілісність мережі відображається світлодіодами "Link".

Використовуваний метод кодування – 4В/5В (як і в сегменті 100BASE-TX), що дозволяє досить просто здійснювати сполучення цих двох сегментів (іноді вони навіть об'єднуються в єдиний стандарт 100BASE-X). Додаткове кодування – NRZI.

Автоматичне визначення типу мережі (Auto-Negotiation)

Функція автоматичного визначення типу мережі (або швидкості передачі), передбачена стандартом Ethernet, не є обов'язковою. Проте її реалізація в мережевих адаптерах і концентраторах дозволяє істотно полегшити життя користувачам мережі.

Функція автодіалогу або автоузгодження (так можна перевести Auto-Negotiation) дозволяє адаптерам, в яких передбачено перемикання швидкості передачі, автоматично підлаштовуватись під швидкість обміну в мережі, а концентраторам, в яких передбачений автодіалог, самим визначати швидкість передачі адаптерів, підключених до їх портів. При цьому користувач мережі не повинен стежити за тим, на яку швидкість обміну налаштована його апаратура: система сама вибере максимально можливу швидкість.

Відразу слід зазначити, що режим автодіалогу застосовується тільки в мережах на основі сегментів, що використовують виті пари: 10BASE-T, 100BASE-TX і 100BASE-T4. Для сегментів на базі коаксіального кабелю і оптоволоконного кабелю, автодіалог не передбачений. Шинні сегменти на коаксіальному кабелі не дають можливості двоточкового зв'язку, тому в них неможливе попарне узгодження абонентів. А в оптоволоконних сегментах застосовується інша система службових сигналів, передаваних між пакетами.

Автодіалог базується на використанні сигналів, що передаються в Fast Ethernet, які називаються FLP (Fast Link Pulse) по аналогії з сигналами NLP (Normal Link Pulse), вживаними в сегментах 10BASE-T. Так само, як і NLP, сигнали FLP починають вироблятися з включенням живлення відповідної апаратури (адаптера або концентратора) і формуються в паузах між передаваними мережевими пакетами, тому вони ніяк не впливають на завантаження мережі. Саме сигнали FLP і передають інформацію про можливості підключеної до даного сегменту апаратури.

При проведенні автодіалогу застосовується таблиця пріоритетів (табл. 12.4), у якій повнодуплексні версії мають вищі пріоритети, ніж класичні напівдуплексні, оскільки вони швидші. Вибирається версія з максимально можливим для обох абонентів пріоритетом.

Таблиця 12.4. Пріоритети автодіалогу
Пріоритет	Тип мережі
1	100BASE-TX Full Duplex
2	100BASE-T4
3	100BASE-TX
4	10BASE-T Full Duplex
5	10BASE-T

1 – вищий пріоритет, 5 – нижчий пріоритет

З таблиці виходить, що якщо, наприклад, апаратура на обох кінцях сегменту підтримує обмін з двома швидкостями, наприклад, в режимах 10BASE-T і 100BASE-TX, то в результаті автодіалогу буде вибраний режим 100BASE-TX, як той, що має більший пріоритет (що забезпечує велику швидкість).

Репітери і концентратори Ethernet і Fast Ethernet

Використання репітерів і концентраторів (хабів) в мережі Ethernet не є обов'язковим. Невеликі мережі на основі сегментів 10BASE2 або 10BASE5 цілком можуть обійтися без них. Для мереж з декількох таких сегментів необхідні прості репітери. А при виборі як середовище передачі витої пари (10BASE-T) або оптоволоконного кабелю (10BASE-FL) вже необхідні концентратори (якщо, звичайно, в мережу об'єднуються не два комп'ютери, а хоч би три). У мережі Fast Ethernet застосування концентраторів обов'язкове.

Функції репітерів і концентраторів

Репітери (повторюівачі), як вже наголошувалося, ретранслюють сигнали, що приходять на них (на їх порти), відновлюють їх амплітуду і форму, що дозволяє збільшувати довжину мережі. Те ж саме роблять і прості репитерні концентратори. Але крім цієї основної функції концентратори Ethernet і Fast Ethernet зазвичай виконують ще ряд функцій по виявленню і виправленню деяких простих помилок мережі. До цих помилок відносяться наступні:

Несуча помилка (FCE – False Carrier Event);
множинні колізії (ECE – Excessive Collision Error);
тривала передача (Jabber).

Всі ці помилки можуть викликатися несправностями устаткування абонентів, високим рівнем шумів і перешкод в кабелі, поганими контактами в роз'ємах і так далі.

Під несучою помилку розуміється ситуація, коли концентратор отримує від одного зі своїх портів (від одиничного абонента або з сегменту) дані, що не містять обмежувача початку потоку даних, тобто преамбула пакету почалася, але в ній немає ознаки початку кадру.

Якщо після старту передачі кадр не почався протягом заданого тимчасового інтервалу (5 мкс для Fast Ethernet, 50 мкс для Ethernet), то концентратор посилає сигнал "Пробка" решті портів, щоб вони виявили колізію. Тривалість цього сигналу також складає 5 або 50 мкс. Потім виявлений порт переводиться в стан "Зв'язок нестійкий" (Link Unstable) і відключається. Зворотне включення порту концентратором може відбутися тільки під час вступу від нього правильного пакету, несучої помилку.

Ситуація множинних колізій фіксується при виявленні в даному порту більше 60 колізій підряд. Концентратор рахує кількість колізій в кожному порту і скидає лічильник, якщо отримує пакет без колізії. Порт, в якому виникають множинні колізії, відключається. Якщо протягом заданого часу (5 мкс для Fast Ethernet, 50 мкс для Ethernet) в цьому порту не буде зафіксовано колізій, то він знову включається.

Ситуація тривалої передачі фіксується у разі, коли час передачі перевищує більш ніж в три рази максимально можливу тривалість пакету, тобто 400 мкс для Fast Ethernet або 4000 мкс для Ethernet.При виявленні такої тривалої передачі відповідний порт відключається. Після закінчення тривалої передачі даний порт знову включається.

Окрім перерахованих функцій концентратор також активно сприяє виявленню будь-яких колізій в мережі. При одночасному надходженні на його порти два і більш за пакети він, як і будь-який абонент, підсилює зіткнення шляхом передачі у всі порти сигналу "Пробка" протягом 32 бітових інтервалів. В результаті всі передавальні абоненти всіх сегментів обов'язково виявляють факт колізії і припиняють свою передачу.

Таким чином, навіть найпростішим концентратором є досить складний пристрій, що дозволяє автоматично усувати деякі несправності і тимчасові збої. Таким чином, концентратор не тільки об'єднує точки включення кабелів мережі, але і активно покращує умови обміну, підвищує продуктивність мережі, відключаючи час від часу несправні або такі, що нестійкий працюють сегменти. Втім, головна ознака концентратора залишається – він не проводить ніякої обробки інформації, сприймає пакети як єдине ціле, не аналізуючи їх вміст.

Концентратори класу I і класу II

Стандарт IEEE 802.3 визначає два класи репитерных концентраторів Ethernet/Fast Ethernet, що відрізняються один від одного своїми функціональними можливостями і областями застосування. Кожен концентратор повинен мати маркіровку свого класу у вигляді римської цифри I або II, увязненій в кружок.

Концентратори класу II — класичні концентратори, що використалися із самого початку в мережах Ethernet. Саме тому їх застосування було дозволене і в мережах Fast Ethernet. Ці концентратори відрізняються тим, що вони безпосередньо повторюють поступаючи на них з сегменту сигнали і передають їх в інші сегменти без якого б то не було перетворення. Вони не здатні перетворювати методи кодування мережевих сигналів. Тому до них можна підключати тільки сегменти, що використовують одну систему сигналів. Наприклад, до концентратора можуть підключатися тільки однакові сегменти 10BASE-T або тільки однакові сегменти 100BASE-TX. Допустимо, правда, підключення і різних сегментів, але вони повинні використовувати один код передачі, наприклад, 10BASE-T і 10BASE-FL або 100BASE-TX і 100BASE-FX. Дані концентратори принципово не можуть об'єднувати сегменти з різними системами кодування, зокрема, 100BASE-TX і 100BASE-T4.

Затримка сигналів в концентраторах класу II менше, ніж в концентраторах класу I. Згідно стандарту, вона повинна складати від 46 бітових інтервалів (для 100BASE-TX/FX) до 67 бітових інтервалів (для 100BASE-T4). Звідси слідують обмеження на наращиваемость таких концентраторів і на кількість їх портів (як правило, воно не перевищує 24). Зате менша затримка концентратора дозволяє використовувати кабелі більшої довжини, оскільки на працездатність мережі впливає сумарна затримка сигналу в мережі, що включає затримки, як концентраторів, так і в кабелях.

Для з'єднання концентраторів класу II між собою використовується спеціальний порт розширення (UpLink port). Кожен концентратор підключається цим портом до одного із звичайних портів іншого концентратора (рис. 13.5).

Мал. 13.5. З'єднання двох концентраторів класу II

Концентратори класу I характеризуються тим, що вони містять декодуючі і кодуючі вузли.

На відміну від концентраторів класу II вони здатні перетворювати коди, вживані в різних сегментах. Тому до них можна одночасно під'єднувати сегменти різних типів, наприклад, 100BASE-TX, 100BASE-T4 і 100BASE-FX. Але цей процес подвійного перетворення код вимагає часу, тому дані концентратори виявляються повільнішими (за стандартом, їх затримка складає не більше 140 бітових інтервалів).

Концентратори класу I гнучкіші, вони мають розширені можливості по наращувності. Саме з них будуються складні концентратори на базі шасі. До того ж завдяки внутрішнім цифровим шинам сигналів вони допускають управління з видалених робочих станцій, що дозволяють контролювати навантаження мережі, стан портів, інтенсивність помилок в мережі, а також автоматично відключати несправні сегменти.

При цьому для обміну із станцією, що управляє, застосовується спеціально розроблений протокол обміну SNMP (Simple Network Management Protocol – простій протокол управління мережею). Такий концентратор, що допускає видалене управління, називається інтелектуальним (Intelligent Hub).

Протокол SNMP був запропонований в 1988 році комісією IAB (Internet Activities Board). Він описується документами RFC 1067, RFC 1098, RFC 1157. Комісія IAB визначила також і метод опису даних для цього протоколу під назвою ASN.1 (Abstract Syntax Notation). Протокол SNMP відноситься до прикладного рівня, він працює з протоколами IP і IPX, а також дозволяє не тільки збирати інформацію про мережу, але і управляти пристроями мережі.

Протокол SNMP має на увазі зберігання інформації про пристрої мережі у форматі ASN.1 у вигляді текстових файлів, так званих MIB (Management Information Base – база інформації, що управляє). Наприклад, у разі інтелектуального концентратора з нього можна підрахувати інформацію про кількість пакетів, переданих і отриманих кожним з портів, можна також включити і вимкнути кожен порт.

Для управління пристроєм мережі, контроллер цього пристрою повинен виконувати програму агента SNMP. Програма агента збирає дані про систему, в якій він запущений і управляє об'єктами даних системи.

Робоча станція, що управляє мережею (NMS – Network Management Station), – це один з комп'ютерів, підключених до мережі, на якому запущений спеціальний пакет прикладних програм, в зручному графічному вигляді що відображає стан мережевих пристроїв і що дозволяє управляти ними.

Протокол SNMP підтримує три типи команд:

Команда GET читає значення об'єктів даних пристрою (з MIB) в довільному порядку.
Команда GET NEXT читає наступне по порядку значення об'єкту даних пристрою.
Команда SET застосовується для змін (запису) значень об'єктів даних пристрою.

Команди і реакції протоколу SNMP передаються за допомогою модулів даних у складі дейтаграмм (PDU – Protocol Data Unit). Протокол передбачає також передачу інформації про тип кодування MIB, тому в різних пристроях MIB може мати різний формат. Існує ряд фірмових і стандартних форматів MIB для мережевих адаптерів (MIB-II), концентраторів, мостів і мережі в цілому (RMON MIB), підтримуваних SNMP.

Комутатори Ethernet і Fast Ethernet

Комутуючі концентратори (Switched Hubs) або, як їх ще називають, комутатори (Switches), перемикачі і свічі, можуть розглядатися, як простий і дуже швидкий міст. Вони дозволяють розділити єдину мережу на декілька сегментів для збільшення допустимого розміру мережі або з метою зниження навантаження (трафіку) в окремих частинах мережі.

Як вже наголошувалося, на відміну від мостів, що комутують концентратори не приймають пакети, що приходять, а тільки переправляють з однієї частини мережі в іншу ті пакети, які цього потребують. Вони в реальному темпі надходження бітів пакету розпізнають адресу приймача пакету і ухвалюють рішення про те, чи треба цей пакет переправляти, і, якщо треба, то кому. Ніякої обробки пакетів не проводиться, хоча і контролюється їх заголовок. Комутатори практично не уповільнюють обміну по мережі. Але вони не можуть перетворювати формат пакетів і протоколів обміну по мережі. Оскільки комутатори працюють з інформацією, що знаходиться усередині кадру, часто говорять, що вони ретранслюють кадри, а не пакети, як репитерные концентратори.

Колізії комутатором не ретранслюються, що вигідно відрізняє його від простішого репитерного концентратора. Можна сказати, що комутатори проводять глибше розділення мережі, чим концентратори. Вони розділяють на частини зону колізій (Collision Domain) мережі, тобто область мережі, на яку розповсюджуються колізії.

Логічна структура комутатора досить проста (рис. 13.6).

Мал. 13.6. Логічна схема комутатора

Вона включає так звану перехресну (комутаційну) матрицю (Crossbar Matrix), в усіх точках перетини якої можуть встановлюватися зв'язок на час передачі пакету. В результаті пакет, що поступає з будь-якого сегменту, може бути переданий в будь-який інший сегмент (рис. 13.6). У разі широкомовного пакету, адресованого всім абонентам, він передається у всі сегменти одночасно, окрім того сегменту, по якому він прийшов (рис. 13.7).

Мал. 13.7. Ретрансляція широкомовного пакету

Крім перехресної матриці комутатор включає пам'ять, в якій він формує таблицю MAC-адресов всіх комп'ютерів, підключених до кожного з його портів. Ця таблиця створюється на етапі ініціалізації мережі і потім періодично оновлюється для обліку змін конфігурації мережі. Саме на підставі аналізу цієї таблиці робиться вивід про те, які зв'язки треба замикати, куди відправляти пакет, що прийшов. Комутатор читає MAC-адресу відправника і одержувача в пакеті, що прийшов, і передає пакет в той сегмент, в який він адресований. Якщо пакет адресований абонентові з того ж сегменту, до якого належить відправник, то він не ретранслюється взагалі. Широкомовний пакет не передається в той сегмент, до якого приєднаний абонент відправник пакету. Адреса відправника пакету заноситься в таблицю адрес (якщо його там ще немає).

Так само, як і концентратори, комутатори випускаються трьох видів залежно від складності, можливості нарощування кількості портів і вартості:

комутатори з фіксованим числом портів (зазвичай до 30);
модульні комутатори (з числом портів до 100);
стекові комутатори.

Комутатори характеризуються двома показниками продуктивності:

Максимальна швидкість ретрансляції пакетів вимірюється при передачі пакетів з одного порту в іншій, коли решта всіх портів відключена.
Сукупна швидкість ретрансляції пакетів вимірюється при активній роботі всіх наявних портів. Сукупна швидкість більше максимальною, але максимальна швидкість, як правило, не може бути забезпечена на всіх портах одночасно, хоча комутатори і здатні одночасно обробляти декілька пакетів (на відміну від моста).

Головне правило, якого треба дотримуватися при розбитті мережі на частини (сегменти) за допомогою комутатора, називається "Правило 80/20". Тільки при його виконанні комутатор працює ефективно. Згідно цьому правилу, необхідно, щоб не менше 80 відсотків всіх передач відбувалося в межах однієї частини (одного сегменту) мережі. І лише 20 відсотків всіх передач повинне відбуватися між різними частинами (сегментами) мережі, проходити через комутатор. На практиці це зазвичай зводиться до того, щоб сервер і робочі станції (клієнти), що активно працюють з ним, розташовувалися на одному сегменті. Це ж правило 80/20 застосовно і до мостів.

Існує два класи комутаторів, що відрізняються рівнем інтелекту і способами комутації:

комутатори з назкрізним вирізуванням (Cut-Through);
комутатори з накопиченням і ретрансляцією (Store-and-Forward, SAF).

Комутатори Cut-Through

Комутатори Cut-Through– найпростіші і швидші, вони не проводять ніякого буферурування пакетів і ніякий їх селекції. Про них часто говорять, що вони проводять комутацію "на льоту" (on-the-fly).

Ці комутатори буферують тільки головну частину пакету, щоб прочитати 6-байтову адресу приймача пакету і ухвалити рішення про комутацію, на яке у деяких комутаторів йде близько 10 бітових інтервалів. В результаті час очікування ретрансляції (затримка на комутаторі), що включає як час буферирования, так і час комутації, може складати близько 150 бітових інтервалів. Звичайно, це більше затримки репітерного концентратора, але значно менше затримки ретрансляції будь-якого моста.

Недолік даного типу комутатора полягає в тому, що він ретранслює будь-які пакети з нормальною головною частиною, у тому числі і свідомо помилкові пакети (наприклад, з неправильною контрольною сумою) і карликові пакети (завдовжки менше 512 бітових інтервалів). Помилки одного сегменту ретранслюються в інший сегмент, що призводить до зниження пропускної спроможності мережі в цілому.

Ще одна проблема полягає в тому, що комутатори даного типу часто перевантажуються і погано обробляють ситуацію перевантаження. Наприклад, з двох або більш сегментів одночасно поступають пакети, адресовані одному і тому ж сегменту. Але комутатор не може одночасно передати декілька пакетів в один сегмент, тому частина пакетів пропадає. Разом з тим комутатор не може ретранслювати і пакети, що приходять з того ж порту, в який комутатор передає в даний момент.

Одне з удосконалень комутаторів Cut-Through отримало назву Interim Cut-Through Switching (ICS). Воно направлене на те, щоб уникнути ретрансляції карликових кадрів. Для цього на приймаючій стороні комутатора всі порти мають буферну пам'ять типу FIFO на 512 бітів. Якщо пакет закінчується раніше, ніж буфер заповниться, то вміст буфера автоматично відкидається. Проте решта всіх недоліків методу Cut-Through в даному випадку зберігається. Затримка ретрансляції комутаторів даного типу (ICS) збільшується приблизно на 400 бітових інтервалів в порівнянні із звичайним Cut-Through.

Комутатори Store-and-Forward

Комутатори Store-and-Forward (SAF) є найбільш дорогими, складними і досконалими пристроями даного типу. Вони вже набагато ближче до мостів і позбавлені перерахованих недоліків комутаторів Cut-Through. Головна їх відмінність полягає в повному буферировании у внутрішній буферній пам'яті FIFO всіх ретрансльованих пакетів. Розмір кожного буфера при цьому повинен бути не менше максимальної довжини пакету. Відповідно значно зростає і затримка комутації, вона складає не менше 12000 бітових інтервалів. Карликові пакети (менше 512 битий) і помилкові пакети (з неправильною контрольною сумою) таким комутатором фільтруються, не пересилаються. Перевантаження виникають набагато рідше, оскільки є можливість відкласти на якийсь час передачу пакету.

Буферна пам'ять (з організацією FIFO) може розміщуватися на приймаючій стороні всіх портів (накопичення перед комутацією – рис. 13.8), на передавальній стороні портів (накопичення перед ретрансляцією), а також може бути загальною для всіх портів, причому ці методи часто комбінуються для досягнення найбільшої гнучкості і збільшення продуктивності. Чим більше об'єм пам'яті, тим краще комутатор справляється з перевантаженням. Але із зростанням об'єму пам'яті підвищується і вартість устаткування. Росте і вимога до швидкодії комутатора. Іноді до складу комутатора включається і універсальний процесор, але частіше комутатори виконуються на спеціалізованих швидкодіючих мікросхемах, жорстко спеціалізованих саме на завданнях комутації пакетів.

Мал. 13.8. Буферна пам'ять в комутаторі

Нарешті, ще одна важлива гідність комутаторів в порівнянні з репитерными концентраторами полягає в тому, що вони можуть підтримувати режим повнодуплексного зв'язку. Як вже наголошувалося, при цьому режимі спрощується обмін в мережі, а швидкість передачі в ідеалі подвоюється (20 Мбіт/с для Ethernet, 200 Мбіт/с для Fast Ethernet).

Мости і маршрутизатори Ethernet і Fast Ethernet

Функції мостів

Мости до недавнього часу були основними пристроями, що застосовувалися для розбиття мережі на частини (тобто для сегментації мережі). Їх вартість менша, ніж маршрутизаторів, а швидкодія вища, до того ж вони, як і комутатори, прозорі для протоколів другого рівня моделі OSI. Абоненти мережі можуть не знати про наявність в мережі мостів, і всі їх пакети доходять до потрібного адресата по мережі без всяких проблем.

По функціях міст дуже близький до комутатора, але повільніше, ніж комутатор.

Як і у разі комутаторів, конфігурація мережі з мостами може бути задоволене складною (рис. 13.9), але в ній у жодному випадку не повинно бути замкнутих маршрутів (петель), тобто альтернативних шляхів доставки пакетів (рис. 13.10). Це пов'язано в першу чергу з тим, що мости, як і комутатори прозорі для широкомовних пакетів. Якщо в мережі є петлі, то в результаті багатократного проходження широкомовних пакетів по замкнутому маршруту виникають перевантаження мережі (так звані широкомовні шторми) і ряд інших проблем.

Мал. 13.9. Мережа з мостами

Мал. 13.10. Петлі в мережі з мостами

Для того, щоб цього не відбувалося, в мостах передбачається так званий алгоритм остовного дерева (spanning tree), який дозволяє відключати порти, що беруть участь в створенні петель (наприклад, обидва порти моста 2 на рис. 13.10) в результаті діалогу (обміну пакетами, що управляють) між всіма мостами мережі. Завдяки цьому, можна спеціально дублювати з'єднання сегментів за допомогою мостів (створювати петлі) з тим, щоб при відмові однієї з ліній зв'язку автоматично відновлювати цілісність мережі по альтернативному маршруту.

Комутатори зазвичай не підтримують алгоритм остовного дерева за винятком найскладніших і дорожчих. Отже в цьому сенсі міст більш універсальний, ніж комутатор.

Мости, як і комутатори, розділяють зону конфлікту (область колізії, Collision Domain), але не розділяють широкомовну область (Broadcast Domain), тобто ту частину мережі, в якій вільно проходять широкомовні пакети. В результаті розділення зони конфлікту навантаження на кожен сегмент зменшується, а обмеження на розмір мережі долається.

Одночасно міст може обробляти (ретранслювати) тільки один пакет, а не декілька, як комутатор. Річ у тому, що всі функції моста виконуються послідовно одним центральним процесором. Саме тому міст працює значно повільніше, ніж комутатор.

Як і в комутаторі, будь-який пакет, що приходить на один з портів моста, обробляється таким чином:

Міст виділяє MAC-адресу джерела (відправника) пакету і шукає його в таблиці адрес абонентів, що відноситься до даного порту. Якщо цієї адреси в таблиці немає, то він туди додається. Таким чином, автоматично формується таблиця адрес всіх абонентів кожного сегменту з підключених до портів моста.
Міст виділяє адресу приймача (одержувача) пакету і шукає його в таблицях адрес, що відносяться до всіх портів. Якщо пакет адресований в той же сегмент, з якого він прийшов, то він не ретранслюється (фільтрується). Якщо пакет широкомовний або багатопунктовий (груповий), то він ретранслюється у всі порти окрім того, що прийняв. Якщо пакет однопунктовий (адресований одному абонентові), то він ретранслюється тільки в той порт, до якого приєднаний сегмент з цим абонентом. Нарешті, якщо адреса приймача не виявлена ні в одній з таблиць адрес, то пакет посилається у всі порти, окрім того, що прийняв (як широкомовний).

Таблиці адрес абонентів мають обмежений розмір, тому вони формуються так, щоб мати можливість автоматичного оновлення їх вмісту. Адреси тих абонентів, які довго не присилають пакетів, через заданий час (за стандартом IEEE 802.1D воно рівне 5 хвилин) стираються з таблиці. Це гарантує, що адреса абонента, відключеного від мережі або перенесеного в інший сегмент, не займатиме зайвого місця в таблиці.

Оскільки міст, подібно до комутатора, аналізує інформацію усередині кадру (фізичні адреси, MAC-адреса), часто говорять, що він ретранслює кадри, а не пакети (на відміну від репітера або репитерного концентратора).

Як і у разі комутаторів, для ефективної роботи моста необхідно виконувати згадуване "правило 80/20", тобто більшість передач (не менше 80%) повинна бути внутрішньосегментною, а не міжсегментними.

Мости можуть не тільки сполучати однойменні сегменти, але також сполучати мережі Ethernet і Fast Ethernet з мережами будь-яких інших типів, наприклад, FDDI або Token-Ring, що не під силу більшості комутаторів. Тому мости, хоч і витісняються комутаторами, все-таки не зникнуть найближчим часом.

Функції маршрутизаторів

Витісняючи мости, комутатори сильно потіснили і маршрутизатори. Але маршрутизатори працюють на вищому, третьому рівні моделі OSI (мости і комутатори – на другому), вони мають справу з протоколами вищих рівнів. Тому ним, швидше за все, не загрожує повне зникнення.

Маршрутизатори, як і мости або комутатори ретранслюють пакети з однієї частини мережі в іншу (з одного сегменту в іншій). Спочатку маршрутизатор від моста відрізнявся тільки тим, що на комп'ютері, що сполучає дві або більше частин мережі, де було встановлено інше програмне забезпечення. Але між маршрутизатором і мостом існують і принципові відмінності:

Маршрутизатори працюють не з фізичними адресами пакетів (MAC-адресами), а з логічними мережевими адресами (IP-адресами або IPX-адресами).
Маршрутизатори ретранслюють не всю інформацію, що приходить, а тільки ту, яка адресована їм особисто, і відкидають (не ретранслюють) широкомовні пакети, розділяючи тим самим широкомовну область мережі (Broadcast Domain). Всі абоненти обов'язково повинні знати про присутність в мережі маршрутизатора. Вони не прозорі для абонентів на відміну від мостів і комутаторів.
Найголовніше – маршрутизатори підтримують мережі з безліччю можливих маршрутів, шляхів передачі інформації, так звані вузлові мережі (meshed networks). Приклад такої мережі показаний на рис. 13.11. Мости ж вимагають, щоб в мережі не було петель, щоб шлях розповсюдження інформації між двома будь-якими абонентами був єдиним.

Мал. 13.11. Вузлова мережа з маршрутизаторами

Маршрутизатори складніше за мости і комутатори і, отже, дорожче (наприклад, вартість комутації в Ethernet приблизно в 10 разів нижче за вартість маршрутизації). Маршрутизаторами складніше управляти, вони майже завжди значно повільніші за комутатори. Зате вони забезпечують найглибше розділення мережі на частини.

Якщо репитерные концентратори всього лише повторюють всі пакети (рівень 1 моделі OSI), що поступили на них, а комутатори і мости ретранслюють тільки міжсегментні і широкомовні пакети (рівень 2 моделі OSI), то маршрутизатори сполучають практично самостійні, не впливаючі один на одного мережі, зберігаючи при цьому можливість передачі інформації між ними (рівень 3 моделі OSI).

Розмір мережі з маршрутизаторами практично нічим не обмежений: ні допустимими розмірами зони конфліктів, ні допустимою кількістю широкомовних пакетів (які можуть просто не залишати місця для звичайних, однопунктових пакетів), ні можливими для комутаторів і мостів різноманітними перевантаженнями. При цьому легко забезпечуються альтернативні, дублюючі шляхи розповсюдження інформації для збільшення надійності зв'язку.

Для ухвалення рішення про вибір маршруту кожен маршрутизатор формує в своїй пам'яті таблиці даних, які містять:

Номери всіх мереж, підключених до даного маршрутизатора;
Список всіх сусідніх маршрутизаторів;
Список MAC-адресов і IP (IPX) -адресов всіх абонентів мереж, підключених до маршрутизатора. Цей список автоматично оновлюється, як і у разі мостів і комутаторів.

Крім того, список всіх доступних маршрутизаторів повинен бути у кожного абонента мережі.

Саме маршрутизатори найчастіше використовуються для зв'язку локальних мереж з глобальними, зокрема, з Інтернет, яка може розглядатися як мережа, що повністю маршрутизується. Перетворити протоколи локальних мереж в протоколи глобальних мереж для маршрутизатора цілком під силу.

Маршрутизатори часто застосовуються для об'єднання опорною (стрижньовий) мережею типу FDDI безлічі локальних мереж (рис. 13.12) або для зв'язку локальних мереж різних типів. Перетворення формату пакетів, потрібне в даній ситуації, для маршрутизатора не представляє ніякої складності. Наприклад, великі пакети мережі FDDI можуть розбиватися (фрагментуватися) на декілька менших пакетів Ethernet.

Мал. 13.12. Маршрутизуєма мережа на основі FDDI

Маршрутизатори також легко перетворять швидкості передачі, зв'язуючи, наприклад, між собою мережі Ethernet, Fast Ethernet і Gigabit Ethernet. Не пропускаючи широкомовних пакетів, вони краще справляються з цим завданням, чим мости або комутатори, оскільки захищають повільні сегменти від перевантажень з боку швидких сегментів.

Маршрутизатори іноді об'єднують між собою. Безліч зв'язаних один з одним маршрутизаторів можуть утворювати так звана хмара (Cloud), що є, по суті, одним гігантським маршрутизатором. Таке з'єднання забезпечує виключно гнучкий і надійний зв'язок між всіма підключеними до нього локальними мережами (рис. 13.13).

Мал. 13.13. Маршрутизуєма хмара

Як вже наголошувалося, можна вважати, що репитерные концентратори працюють з пакетами, а мости і комутатори – з кадрами. Маршрутизатори обробляють адресну інформацію, що відноситься до структури дейтаграммы IP (IPX), яка вкладена в область даних кадру, у свою чергу вкладеного в пакет (рис. 13.14). Тому говорять, що вони працюють з дейтаграммами, або ретранслюють дейтаграммы. Маршрутизатор аналізує мережева IP-адрес дейтаграммы (див. рис. 6.9) або мережева IPX-адрес дейтаграммы (див. рис. 6.8). У обидва ці адреси входять номер мережі, і саме ці мережі сполучає маршрутизатор. Мережами в даному випадку називаються широкомовні області (Broadcast Domain).

Мал. 13.14. Вкладення дейтаграми у кадр і пакет

Кожен абонент, перш ніж послати пакет, визначає, чи може він послати його безпосередньо одержувачеві або ж йому треба скористатися послугами маршрутизатора. Якщо номер власної мережі передавального абонента співпадає з номером мережі абонента, якому повинен передаватися пакет, то пакет передається безпосередньо, без маршрутизації. Якщо ж адресат знаходиться в іншій мережі, то передавана дейтаграмма повинна бути відправлена маршрутизатору, який потім переправить її в потрібну мережу. При цьому виходить, що пакет в цілому адресований маршрутизатору (як одному з абонентів власної мережі), а укладена в нім дейтаграмма адресована абонентові з іншої мережі, якому вона, власне, і призначена.

Маршрутизатор аналізує IP (або IPX) адреси в дейтаграммі, що приходить у складі пакету, і перетворює пакет, що прийшов по одній з мереж, в пакет, призначений для іншої мережі. У полі адрес передаваного пакету він ставить MAC-адрес одержувача і свою MAC-адрес, як відправника пакету. У відповідь пакет так само повинен пройти через посередника – маршрутизатора.

Хороший маршрутизатор дуже дорогий і складний в настройці і експлуатації. Тому використовувати його слід тільки в тих випадках, коли це дійсно необхідно, наприклад, коли застосування комутаторів і мостів не дозволяє подолати перевантаження мережі.

PAGE \* MERGEFORMAT 19

Стандартні сегменти Fast Ethernet