Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
Комп’ютерна мережа технології Ethernet масштабу будинку
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Національний університет Львівська політехніка
Інститут:
Не вказано
Факультет:
Не вказано
Кафедра:
Кафедра ЕОМ
Інформація про роботу
Рік:
2004
Тип роботи:
Курсовий проект
Предмет:
Комп'ютерні мережі
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
Міністерство освіти та науки України
Національний університет „Львівська політехніка”
кафедра ЕОМ
Курсовий проект
з дисципліни: „Комп’ютерні мережі”
на тему:
„Комп’ютерна мережа технології Ethernet масштабу будинку”
Анотація
В даній курсовій роботі розроблено проект комп’ютерної мережі масштабу будинку, побудованої на базі технології Ethernet 10Base-T та 10Base-FL розглянуто її характеристики, переваги та обмеження. Дотримані всі стандарти, а також передбачено в подальшому розширення даної мережі.
Завдання на проектування
Розробити комп’ютерну мережу масштабу будинку, виходячи з таких умов:
Стандарти можливих технологій:
Ethernet 10Base-T
Ethernet 10Base-FL
Кількість поверхів будинку: 2
Габарити поверху [м]: 12х12
Кількість робочих груп (кімнат) на поверсі: 4
Кількість комп’ютерів в робочій групі: 6
Зміст
Вступ...............................................................................................................
1. Основні елементи LAN – технологій.....................................................
Кабельні системи.....................................................................................
Тип кабелю „скручена пара”...............................................................
Тип кабелю „оптоволокно”................................................................
Комунікаційні мережні заходи.................................................................
Концентратори (Habs)......................................................................
Комутатори (Switches)......................................................................
2. Особливості мережної технології Ethernet..........................................
Етапи розвитку технології Ethernet.........................................................
Метод доступу до середовища CSMA/CD.............................................
Формати кадрів технології Ethernet........................................................
Етапи доступу до середовища...............................................................
Виникнення колізій...................................................................................
Час подвійного обороту і розпізнавання колізій..............................
Правила побудови мереж Ethernet стандарту 10 Base……..................
Правила проектування мереж стандарту 10Base-T…...…….………….
3. Опис проекту мережі.................................................................................
4. Обрахунки працездатності мережі.........................................................
Обрахунок PDV (Path Delay Value)..........................................................
Обрахунок PVV (Path Variability Value)....................................................
5. Висновок......................................................................................................
6. Список використаної літератури.............................................................
Додаток........................................................................................................
Вступ
Швидкий розвиток інформаційних технологій зумовив широке використання комп’ютерних методів обробки інформації. Технологічні досягнення в галузі виробництва комп’ютерних компонентів дозволили навіть малим компаніям використовувати в своїй діяльності комп’ютерну техніку. Проте з ростом потреб виникає необхідність об’єднання комп’ютерів та комп’ютерних засобів в єдину інформаційну розподілену систему(ЄІРС), яка забезпечить такі переваги для компанії, яка її використовує:
Можливість спільного(sharing) використання дорогих ресурсів(мережеві принтери, доступ до Internet, мережеві сховища даних та ін).
Покращення комунікацій
Покращення доступу до даних - можливість оперативного доступу до існуючих даних із будь-якої точки системи, ненадлишковість даних, захист та ін.
Швидке та якісне прийняття рішень
Свобода в територіальному розміщенні комп’ютерів
ЄІРС включає в себе дві складові:
Апаратна (Локальна обчислювальна мережа, робочі станції, термінали, персональні комп’ютери, комп’ютерне обладнання та ін.)
Програмна (Мережеві: Операційні системи, Бази даних, Системи прийняття рішень, Службові програми та інше Програмне Забезпечення).
Метою даної роботи є створення Локальної Обчислювальної Мережі надалі ЛОК, побудова її структури, визначення технології, кількості обладнання, розрахунок її параметрів та ін.
Локальна комп’ютерна мережа - це комунікаційна система, яка дозволяє користувачам комп’ютерів ( в даному випадку – мережних робочих станцій) обмінюватися інформацією, спільно використовувати прикладні програми, передавати файли між комп'ютерами, розділяти доступ і спільно використовувати ресурси комп'ютерів, а також таких пристроїв, підключених до мережі, як принтери, плотери, диски, модеми, приводи CD-ROM та ін..Постійне зростання можливостей і продуктивності комп'ютерів обумовило зростання вимог до ефективності функціонування мереж. Для локальних мереж, як правило, прокладається спеціалізована кабельна система і положення можливих точок підключення абонентів визначається цією кабельною системою.
Локальні мережі – LAN (Local Area Network) – є елементами більш масштабних утворень: -CAN (Campus Area Network) – так звана кампусна, або корпоративна мережа, що поєднує локальні мережі порівняно недалеко розташованих будинків, - MAN (Metropolitan Area Network) – мережа міського масштабу, - WAN (Wide Area Network) – широкомасштабна мережа регіону, -GAN (Global Area Network )– глобальна мережа, наприклад, “мережа мереж” Internet.
1. Основні елементи Lan-технологій
Кабельні системи
Таблиця 1.1. Категорії та класи кабелів
Частота, МГц
Швидкість передавання, Мбіт/с
Клас, категорія
Менше 1
1
16
20
100
100
200
600
До 20 Кбіт/с
1
16
20
100
1000
більше 1 Гбіт/с
1,А
2,В
3,С
4
5,Д
5+
6,Е
7,F
Тип кабеля “скручена пара”
Цей тип кабелю є найдешевшим і найпоширенішим. Він містить дві або більше пари провідників. В кожній парі провідники скручені один з одним по всій довжині кабеля. Скручування дозволяє підвищити завадостійкість кабеля і зменшити вплив сигналу в кожній парі на всі інші. Максимальна відстань передавання при його використанні 1.5-2.0 км, а максимальна швидкість 1.2 Гбіт/с. Тривалість поширення сигналу 8-12 нс/м . Загасання сигналу 12-28 Дб на 100 м на частоті 10 МГц.
Найбільш популярним видом середовища передачі даних на невеликі відстані (до 100 м) стає неекранована скручена пара ( UTP ), що включена практично в усі сучасні стандарти і технології локальних мереж і забезпечує пропускну здатність до 100 Мб/с (на кабелях категорії 5)
Екранована скручена пара суттєво дорожча неекранованої, але забезпечує кращу електромагнітну сумісність кабельної системи з джерелами і приймачами сигналів, та забезпечує менший рівень випромінювання в навколишнє середовище ( показник ЕМІ- Electromagnetic Interference ). Використовують фольговану (FTP), та екрановану ( STP) скручені пари та їх комбінації.
Все ж таки всі види скручених пар мають гірший захист від завад, ніж у коаксіальному кабелі.
Таблиця 1.2. Порівняльні характеристики скручених пар
Показник
UTP
FTP
S/FTP
S/STP
Ціна в $ за 1 км
Максимальна
частота, МГц
Товщина, мм
Встановлення
Заземлення
200-300
100
5.1
Легке
Легке
280-420
150
6.2
Легке
Важке
460-690
300
6.5
Легке
Легке
700-1050
300
7.3
Важке
Легке
Згідно європейського стандарту мережне обладнання в промислових умовах повинно мати випромінювання до 40 Дб на відстані 10 м, а для комерційних та непромислових умов експлуатації – до 30 Дб ( показник ЕМІ).
Тип кабеля “оптоволокно”
В оптоволоконних кабелях сигнали передаються у вигляді модульованих світлових імпульсів. У якості світловода виступає тонкий скляний циліндр. Довкола нього – скляна оболонка з великим коефіцієнтом переломлення. Усе це знаходиться під зовнішньою полівінілхлоридною оболонкою. Зверху може знаходитися броньоване плетіння зі сталі, чи пластику. Чим кабель краще захищений, тим він товстіший, і з ним складніше працювати. Останнім часом все ширше використовують прозорі пластикові волокна.
Оптоволоконні кабелі поділяються на 2 види – одномодові і багатомодові.
В одномодовому кабелі товщина внутрішньої жили дорівнює довжині хвилі світлового сигналу (~10мкм), ослаблення сигналу незначне. Для генерації світла використовуються напівпровідникові лазери. Теоретично можлива максимальна швидкість передавання доходить до 200 Гбіт/с, а відстань передачі до 110 км.
У багатомодовому кабелі декілька жил, є можливість одночасно посилати кілька потоків даних. Відстань передачі до 2-3 км.
Сигнал в оптоволокні майже не загасає і не спотворюється. Немає залежності і від електромагнітних перешкод. Оптоволоконні кабелі в основному використовують при створенні магістральних ліній зв’язку комп’ютерних мереж.
Комунікаційні мережні засоби
Концентратори (Hubs)
Багатопортовий повторювач часто називають концентратором (hub, concentrator), тому що даний пристрій реалізує не тільки функцію повторення сигналів, але і функції об'єднання комп'ютерів та окремих сегментів в мережу. Практично в усіх сучасних мережних стандартах концентратор є необхідним елементом.
Концентратори утворюють з окремих фізичних відрізків кабеля загальне середовище передачі даних - логічний сегмент. Логічний сегмент також називають доменом колізій.
Конструкцію концентраторів визначає їх область застосування. Концентратори робочих груп найчастіше випускаються як пристрої з фіксованою кількістю портів, корпоративні концентратори – як модульні пристрої на основі шасі, а концентратори відділів можуть мати стекову конструкцію. Такий розподіл не є жорстким і в якості корпоративного концентратора може використовуватись, наприклад, модульний концентратор.
Концентратор з фіксованою кількістю портів — це найбільш просте конструктивне виконання, коли концентратор - це окремий корпус із усіма необхідними елементами (портами, органами індикації і керування, блоком живлення), які замінювати неможливо. Звичайно усі порти такого концентратора підтримують одне середовище передачі, загальна кількість портів змінюється від 4-8 до 24. Один порт може бути спеціально виділений для підключення концентратора до магістралі чи мережі, або для об'єднання концентраторів.
Модульний концентратор виконується у вигляді окремих модулів з фіксованою кількістю портів, встановлених на загальному шасі. Шасі має внутрішню шину для об'єднання окремих модулів у єдиний повторювач. Часто такі концентратори є багатосегментними. Для модульного концентратора можуть існувати різні типи модулів, які відрізняються кількістю портів і типом підтримуваного фізичного середовища. Модульні концентратори дозволяють більш точно підібрати необхідну для конкретного застосування конфігурацію концентратора, а також гнучко і з мінімальними витратами реагувати на зміни конфігурації мережі.
Оскількі корпоративні модульні концентратори виконують дуже відповідальну роботу, вони забезпечуються модулем керування, системою терморегулювання, додатковими джерелами живлення і можливістю заміни модулів “на ходу”.
Недоліком концентратора на основі шасі є висока початкова вартість такого пристрою для випадку, коли підприємству на першому етапі створення мережі потрібно встановити всього 1-2 модуля. Висока вартість шасі викликана тим, що воно поставляється разом із усіма загальними пристроями, такими як додаткові джерела живлення і т.ін. Тому для мереж середніх розмірів велику популярність отримали стекові концентратори.
Стековий концентратор, як і концентратор з фіксованим числом портів, виконується у вигляді автономного корпусу без можливості заміни окремих його модулів. Стековими вони називаються тому, що мають спеціальні порти і кабелі для об'єднання декількох таких корпусів у єдиний повторювач, який має загальний блок повторення, забезпечує загальну ресинхронизацію сигналів для усіх своїх портів і тому з погляду “правила 4-х хабів” вважається одним повторювачем. Якщо стекові концентратори мають кілька внутрішніх шин, то при з'єднанні в стек ці шини поєднуються і стають загальними для всіх пристроїв стека.
Комутатори (Switches)
Зменшення числа вузлів в мережі називається сегментацією. Вона здійснюється за рахунок поділу великої мережі на менші частини - сегменти. Оскільки користувачам, як правило, необхідно мати доступ до ресурсів всіх сегментів, потрібні механізми забезпечення міжсегментного обміну з досить високою швидкістю. Пристрої, які називаються комутаторами, надають такі можливості.
Комутатори подібно мостам і маршрутизаторам здатні сегментувати мережі. Як і багатопортові мости, комутатори передають пакети між портами на основі адреси одержувача, яка включена до кожного пакета. Реалізація комутаторів звичайно відрізняється від мостів у частині можливості організації одночасних з'єднань між будь-якими парами портів пристрою - це значно розширює сумарну пропускну здатність мережі. Більше того, мости у відповідності із стандартом IEEE 802.1d, повинні прийняти весь пакет до того моменту, як він почне передаватись адресату, а комутатори можуть почати передачу пакета, не прийнявши його повністю.
Технологія комутації сегментів Ethernet була запропонована фірмою Kalpana у 1990 році у відповідь на зростаючі потреби у підвищенні пропускної здатності зв'язків високопродуктивних серверів із сегментами робочих станцій.
Віртуальні з'єднання. Комутатор Ethernet підтримує внутрішню таблицю, яка зв'язує порти з адресами підключених до них пристроїв. Цю таблицю Таблиця 1.3. адміністратор мережі може створити самостійно або задати її автоматичне створення засобами комутатора.
Таблиця 1.3.
MAC-адреса
Номер порта
A
1
B
2
C
3
D
4
Використовуючи таблицю адрес і адресу одержувача, що міститься в пакеті, комутатор організує віртуальне з'єднання порту відправника з портом одержувача і передає пакет через це з'єднання. На Рис.1.1. вузол А посилає пакет вузлу D. Знайшовши адресу одержувача у своїй внутрішній таблиці, комутатор передає пакет у порт 4.
Рис.1.1. Віртуальне з’єднання
Віртуальне з'єднання між портами комутатора зберігається на час передачі одного пакета, тобто для кожного пакета віртуальне з'єднання організується знову на основі адреси, що міститься в даному пакеті.
Оскільки пакет передається тільки в той порт, до якого підключений адресат, інші користувачі (у нашому прикладі - B і C) не отримають цей пакет. Таким чином, комутатори забезпечують засоби безпеки, недоступні для стандартних повторювачів Ethernet.
Рис.1.2.Одночасні з’єднання
Одночасні з'єднання. У комутаторах Ethernet передача даних між будь – якими парами портів відбувається незалежно і, отже, для кожного віртуального з'єднання виділяється вся смуга перепускання каналу. Наприклад, комутатор 10 Mбіт/с на Рис.1.2 забезпечує одночасну передачу пакета з A в D і з порту B порт C зі смугою 10 Mбіт/с для кожного з'єднання.
Оскільки для кожного з'єднання дається смуга 10 Mбіт/с, сумарна перепускна здатність комутатора в наведеному прикладі складає 20 Mбіт/с. Якщо дані передаються між великим числом пар портів, інтегральна смуга відповідно розширюється. Наприклад, 24 портовий комутатор Ethernet може забезпечувати інтегральну пропускну здатність до 120 Mбіт/с при одночасній організації 12 з'єднань зі смугою 10 Mбіт/с для кожного з них. Теоретично, інтегральна смуга комутатора росте пропорційно числу портів. Однак, в реальності швидкість пересилання пакетів, що вимірюється в Mбіт/с, менша ніж сумарна смуга пар портів за рахунок так званого внутрішнього блокування. Для комутаторів високого класу блокування незначно знижує інтегральну перепускну смугу пристрою.
Комутатор Ethernet 10Mбіт/с може забезпечити високу перепускну здатність за умови організації одночасних з'єднань між усіма парами портів. Однак, реально трафік звичайно являє собою ситуацію "один до багатьох" (наприклад, безліч користувачів мережі звертається до ресурсів одного сервера). У таких випадках перепускна здатність комутатора в нашому прикладі не буде перевищувати 10 Mбіт/с і комутатор не забезпечить істотної переваги в порівнянні зі звичайним концентратором (повторювачем) з точки зору режиму, що розглядається.
На рис.1.3. три вузли A, B і D передають дані вузлу C. Комутатор зберігає пакети від вузлів A і B у своїй пам'яті доти, доки не завершиться передача пакета з вузла D. Після завершення передачі цього пакета комутатор починає передавати пакети від вузлів А та В, які зберігаються в пам’яті.
Рис.1.3. Варіант блокування
У даному випадку перепускна здатність комутатора визначається смугою каналу C (у даному випадку 10 Mбіт/с). Описана в даному прикладі ситуація є іншим варіантом блокування.
Продуктивність комутатора. Іншим важливим параметром комутатора є його продуктивність. В якості характеристик продуктивності використовують такі показники:
1.Швидкість передачі між портами.
2.Загальна перепускна здатність.
3.Затримка.
Швидкість передачі між портами. При смузі 10Mбіт/с Ethernet може передавати 14880 пакетів мінімального розміру (64 байта)в секунду (PPS). Цей параметр (PPS) визначається властивостями середовища. Комутатор, що здатний забезпечити швидкість 14880 PPS між портами, цілком використовує можливості середовища. Смуга перепускання середовища є важливим параметром, оскільки комутатор, що забезпечує передачу пакетів з такою швидкістю, цілком використовує можливості середовища, надаючи користувачам максимальну смугу.
Загальна перепускна здатність. Вимірювана в Mбіт/с або PPS, загальна перепускна здатність характеризує максимальну швидкість, з якою пакети можуть передаватися через комутатор адресатам. В комутаторах, усі порти яких мають смугу 10 Mбіт/с, сумарна перепускна здатність дорівнює швидкості порту, помноженої на число віртуальних з'єднань, що можуть існувати одночасно (це число портів комутатора, поділене на 2). Комутатор, здатний забезпечувати максимальну швидкість передачі, не має внутрішнього блокування.
Затримка. Затримка - це проміжок часу між отриманням пакета від відправника і передачею його адресату. Звичайно затримку вимірюють щодо першого біта пакета.
Комутатори Ethernet можуть забезпечувати дуже низьку затримку після того, як буде визначений адресат. Оскільки адреса одержувача розміщається на початку пакета, передачу можна почати до того, як пакет буде цілком прийнятий від відправника. Такий метод називається комутацією на льоту (cut-through) і забезпечує мінімальну затримку. Мала затримка важлива, оскільки з нею безпосередньо пов'язана продуктивність комутатора. Але метод комутації на льоту не перевіряє пакети на предмет помилок При такому методі комутатор передає всі пакети (навіть ті, які містять помилки). Наприклад, при виникненні колізії після початку передачі пакета (адреса вже отримана) отриманий фрагмент все одно буде переданий адресату. Передача таких фрагментів займає частину смуги каналу і знижує загальну продуктивність комутатора.
При передачі пакетів з низькошвидкісного порту у високошвидкісний (наприклад, з порту 10Mбіт/с у порт 100Mбіт/с) комутацію на льоту використовувати взагалі неможливо. Оскільки порт – приймач має більшу швидкість, ніж передавач, при використанні комутації на льоту неминуче виникнуть помилки. При організації віртуального з'єднання між портами з різною швидкістю потрібна буферизация пакетів.
Мала затримка підвищує продуктивність мереж, у яких дані передаються у виді послідовності окремих пакетів, кожний з який містить адресу одержувача. У мережах, де дані передаються у формі послідовності пакетів з організацією віртуального каналу, мала затримка менше впливає на продуктивність.
2. Особливості мережної технології Ethernet
Етапи розвитку технології Ethernet
Ethernet - це найпоширеніший на сьогоднішній день стандарт локальних мереж. Загальна кількість мереж, що працюють за протоколом Ethernet у теперішній час, оцінюється в 5 мільйонів, а кількість комп'ютерів з установленими мережними адаптерами Ethernet — у 50 мільйонів.
Коли говорять про Ethernet то під цим, звичайно, розуміють будь-який із варіантів цієї технології. У більш вузькому розумінні Ethernet — це мережний стандарт, впроваджений на експериментальній мережі Ethernet Network, яку фірма Xerox розробила й реалізувала в 1975 році. Метод доступу було випробувано ще раніше. У другій половині 60-х років у радіомережі Гавайського університету Aloha використовувалися різні варіанти конкурентного доступу до загального передаючого середовища (CSMA/CD).
B 1980 році фірми DЕС, Intel та Xerox спільно розробили й опублікували стандарт Ethernet версії II для мережі, побудованої на основі коаксіального кабелю, який став останньою версією фірмового стандарту Ethernet. Тому фірмову версію стандарту Ethernet називають стандартом Ethernet DIX або Ethernet II.
Дещо пізніше на його основі з’явився стандарт IEEE 802.3. За першими літерами назв цих фірм утворено скорочення DIX, що фігурує в описі цієї технології. Слово Ether (ефір) в назві технології означає різноманіття можливих середовищ передачі. Перші версії – Ethernet v1.0 і Ethernet v2.0 застосовувались тільки для коаксіального кабелю, стандарт IEEE 802.3 розглядає і інші варіанти середовищ передачі – виту пару і оптоволокно. У стандарті IEEE 802.3 розрізняють рівні MAC і LLC, в оригінальному Ethernet обидва ці рівні об'єднані в єдиний канальний рівень.
У Ethernet DIX визначається протокол тестування конфігурації (Ethernet Configuration Test Protocol), що відсутній у IEEE 802.3. Трохи відрізняється і формат кадру, хоча мінімальні і максимальні розміри кадрів у цих стандартах збігаються. Часто для того, щоб відрізнити Ethernet, визначений стандартом IEEE, і фірмовий Ethernet DIX, перший називають технологією 802.3, а за фірмовим залишають назву Ethernet без додаткових позначень.
У залежності від типу фізичного середовища стандарт IEEE 802.3 має різні модифікації - 10Base-5, 10Base-2, 10Base-T, 10Base-FL, 10Base-FB.
Технологія Fast Ethernet є еволюційним розвитком класичної технології Ethernet. 10-мегабітний Ethernet влаштовував більшість користувачів протягом близько 15 років. Проте на початку 90-х років почала відчуватися його недостатня перепускна здатність. Якщо для комп'ютерів на процесорах Intel 80286 чи 80386 із шинами ISA (швидкість обміну 8 Мбайт/с) чи EISA (32 Мбайт/с) перепускна здатність сегмента Ethernet складала 1/8 чи 1/32 каналу "пам'ять - диск", то це добре узгоджувалося із співвідношенням обсягів обміну локальними і зовнішніми даними для комп'ютера. В теперішній час в потужних клієнтських станціях із процесорами Pentium ( або аналогами інших фірм) і шиною PCI (133 Мбайт/с) ця частка впала до 1/133, що явно недостатньо. Тому багато сегментів 10-Мегабітного Ethernet стали працювати з перевантаженням, швидкість реакції серверів на них значно впала, а частота виникнення колізій істотно зросла, ще більше знижуючи номінальну перепускну здатність.
У 1992 році група виробників мережного устаткування, включаючи таких лідерів технології Ethernet як SynOptics, 3Com та ряд інших, утворили некомерційне об'єднання Fast Ethernet Alliance для розробки стандарту нової технології, яка узагальнила б досягнення окремих компаній в області Ethernet-спадкоємного високошвидкісного стандарту. Нова технологія отримала назву Fast Ethernet.
Одночасно почалися роботи в інституті IEEE зі стандартизації нової технології - там була сформована дослідницька група з вивчення технічного потенціалу високошвидкісних технологій. За період з кінця 1992 року і по кінець 1993 року група IEEE розглянула 100-Мегабітні рішення, запропоновані різними виробниками. Поряд із пропозиціями Fast Ethernet Alliance ця група розглянула також і іншу високошвидкісну технологію, запропоновану компаніями Hewlett-Packard і AT&T.
У центрі дискусій була проблема збереження конкурентного методу доступу (CSMA/CD). Пропозиція по Fast Ethernet зберігала цей метод і тим самим забезпечувала спадковість і погодженість мереж 10Base-T і 100Base-T. Коаліція HP і AT&T, що мала підтримку набагато меншого числа виробників у мережній індустрії, ніж Fast Ethernet Alliance, запропонувала зовсім новий метод доступу, названий Demand Priority. Він істотно змінював картину поведінки вузлів у мережі, тому не зміг вписатися в технологію Ethernet і стандарт 802.3, і для його стандартизації був організований новий комітет IEEE 802.12.
У травні 1995 року комітет IEEE прийняв специфікацію Fast Ethernet як стандарт 802.3u, який не є самостійним стандартом, а є доповненням до існуючого стандарту 802.3.
Відмінності Fast Ethernet від Ethernet зосереджені на фізичному рівні (Рис.2.1.1.). Більш складна структура фізичного рівня технології Fast Ethernet викликана тим, що в ній можуть використовуватись три варіанти кабельних систем : оптоволокно, 2-х парна скручена пари категорії 5 і 4-х парна скручена пара категорії 3, причому в порівнянні з варіантами фізичної реалізації Ethernet (а їх нараховується шість), тут відмінності кожного варіанта від інших глибша - міняється і кількість провідників, і методи кодування. А тому, що фізичні варіанти Fast Ethernet створювалися одночасно, а не еволюційно, як для мереж Ethernet, то існувала можливість детально визначити ті підрівні фізичного рівня, які не змінюються від варіанта до варіанта, а також підрівні, специфічні для кожного варіанту.
Основними перевагами технології Fast Ethernet є: - збільшення перепускної здатності сегментів мережі до 100 Мбіт/c; - збереження методу конкурентного (випадкового) доступу Ethernet; - збереження зіркоподібної топології мереж і підтримка традиційних середовищ передачі даних (скрученої пари й оптоволоконного кабеля).
Зазначені властивості дозволяють здійснювати поступовий перехід від мереж 10Base-T (найбільш популярного на сьогоднішній день варіанту Ethernet) до швидкісних мереж, які зберігають спадковість з добре знайомою технологією: Fast Ethernet не вимагає суттєвого перенавчання персоналу і заміни устаткування у всіх вузлах мережі, а також кабельної системи.
Офіційний стандарт 100Base-T (802.3u) встановив три різних специфікації для фізичного рівня (у термінах семирівневої моделі OSI) з підтримкою таких кабельних систем: 100Base-TX для двохпарного кабеля на неекранованій скрученій парі UTP категорії 5, або екранованій скрученій парі STP Type 1; 100Base-T4 для чотирьохпарного кабеля на неекранованій скрученій парі UTP категорії 3, 4 або 5; 100Base-FX для многомодового оптоволоконного кабелю.
Усі види стандартів Ethernet (у тому числі Fast Ethernet і Gigabit Ethernet) використовують той самий метод розділення середовища передачі даних — метод CSMA/CD.
Рис. 2.1. Відмінність технології Fast Ethernet від технології Ethernet
Метод доступу до середовища CSMA/CD
Підрівні LLC і MAC у стандарті Ethernet не зазнали змін. Їхні функції такі:
Підрівень LLC забезпечує інтерфейс протоколу Ethernet із протоколами вищих рівнів, наприклад, із IP чи IPX. Кадр LLC, зображений на Рис 2.2., вкладається в кадр MAC і дозволяє за рахунок полів DSAP і SSAP ідентифікувати адреси сервісів призначення й джерела відповідно. Наприклад, при вкладенні в кадр LLC пакету IPX, значення як DSAP, так і SSAP повинні бути рівні Е0. Поле керування кадру LLC дозволяє реалізувати процедури обміну даними трьох типів:
Процедура типу 1 визначає обмін даними без попереднього встановлення з'єднання і без повторної передачі кадрів у випадку виявлення помилкової ситуації, тобто є процедурою датаграмного типу. Поле керування для цього типу процедур має значення 03, що визначає всі кадри як ненумеровані.
Процедура типу 2 визначає режим обміну з установленням з'єднань, нумерацією кадрів, керуванням потоком кадрів і повторною передачею помилкових кадрів. У цьому режимі протокол LLC аналогічний протоколу HDLC.
Процедура типу 3 визначає режим передачі даних без встановлення з'єднання, але з одержанням підтвердження про доставку інформаційного кадру адресату.
Рис. 2.2. Формат кадру LLC із розширенням SNAP
Існує розширення формату кадру LLC, називане SNAP (Subnetwork Access Protocol). У випадку використання розширення SNAP у поля DSAP і SSAP записується значення AA, тип кадру як і раніше дорівнює 03, а для позначення типу протоколу, вкладеного в поле даних, використовуються наступні 4 байти, причому байти ідентифікатора організації (OUI) завжди рівні 00 (за винятком протоколу AppleTalk), а останній байт (TYPE) містить ідентифікатор типу протоколу (наприклад, 0800 для IP).Заголовки LLC чи LLC/SNAP використовуються мостами й комутаторами для трансляції протоколів канального рівня за стандартом IEEE 802.2H.
Підрівень MAC відповідальний за формування кадру Ethernet, одержання доступу до середовища передачі даних і за відправлення за допомогою фізичного рівня кадра по фізичному середовищу вузлу призначення.
Розділюване середовище Ethernet, незалежно від її фізичної реалізації (коаксіальний кабель, скручена пара чи оптоволокно з повторювачами), у будь-який момент часу знаходиться в одному із трьох станів: - вільне, зайняте, колізія. Стан зайнятості відповідає нормальній передачі кадра одним із вузлів мережі. Стан колізії виникає при одночасній передачі кадрів більш ніж одним вузлом мережі.
MAC-підрівень кожного вузла мережі одержує від фізичного рівня інформацію про стан розділюваного середовища. Якщо вона вільна, і в MAC-підрівня є кадр для передачі, то він передає його через фізичний рівень у мережу. Фізичний рівень одночасно з побітною передачею кадру стежить за станом середовища. Якщо за час передачі кадру колізія не виникла, то кадр вважається переданим. Якщо ж за цей час колізія була зафіксована, то передача кадра припиняється, і у мережу видається спеціальна послідовність з 32 біт (jam-послідовність), що повинна допомогти однозначно розпізнати колізію всіма вузлами мережі.
Після фіксації колізії MAC-підрівень робить випадкову паузу, а потім знову намагається передати даний кадр. Випадковий характер паузи зменшує ймовірність одночасної спроби захоплення передаючого середовища декількома вузлами при наступній спробі. Інтервал, з якого вибирається випадкова величина паузи, зростає з кожною спробою (до 10-ої), так що при великому завантаженні мережі і частому виникненні колізій відбувається гальмування вузлів. Максимальна кількість спроб передачі одного кадру - 16, після чого MAC-підрівень залишає даний кадр і починає передачу наступного кадру, що надійшов із LLC-підрівня. MAC-підрівень вузла приймача, що одержує біти кадру від свого фізичного рівня, перевіряє поле адреси кадру, і якщо адреса збігається з його власною, то він копіює кадр у свій буфер. Потім він перевіряє, чи не містить кадр специфічних помилок : - невідповідність контрольної суми (FCS error); - порушення максимально допустимого розміру кадра (jabber error); - порушення мінімально допустимого розміру кадру (runts); - невірно знайдені межи байт (alignment error). Якщо кадр коректний, то його поле даних передається на LLC-підрівень, якщо ні - то кадр відкидається.
Формати кадрів технології Ethernet
Формати кадрів технології Fast Ethernet не відрізняються від форматів кадрів технологій 10-мегабітного Ethernet. На Рис.2.3. приведений формат MAC-кадру Ethernet, а також часові параметри його передачі по мережі для швидкості 10 Мбіт/сек і для швидкості 100 Мбіт/сек. У кадрах стандарту Ethernet-II (чи Ethernet DIX), опублікованого компаніями Xerox, Intel і Digital ще до появи стандарту IEEE 802.3, замість двобайтового поля L (довжина поля даних) використовується двобайтовое поле T (тип кадру). Значення поля типу кадру завжди більше 1518 байт, що дозволяє легко розрізнити ці два різних формати кадрів Ethernet DIX і IEEE 802.3. Усі часові параметри передачі кадрів Fast Ethernet у 10 разів менше відповідних параметрів технології 10-Мегабітного Ethernet: міжбітовий інтервал складає 10 нс замість 100 нс, а міжкадровий інтервал - 0.96 мкс замість 9.6 мкс відповідно.
Рис. 2.3. Формат MAC-кадру та час його передачі
Етапи доступу до середовища
Всі дані, які передаються по мережі, кладуться в кадри визначеної структури і забезпечуються унікальною адресою станції призначення.
Щоб отримати можливість передавати кадр, станція повинна впевнитися, що розділюване середовище вільне. Це досягається прослуховуванням основної гармоніки сигналу, яка також називається несучою частотою (carrier-sense, CS). Ознакою незайнятості середовища являється відсутність на ній несучої частоти, яка при манчестерському методі кодування рівна 5-10 МГц, в залежності від послідовності нулів та одиниць, які передаються в даний момент.
Якщо середовище вільне, то вузол має право почати передачу кадру. Даний кадр зображено на рис.1 першим. Вузол 1 виявив, що середовище вільне і почав передавати свій кадр. В класичному Ethernet на коаксіальному кабелі сигнали передавача вузла 1 розповсюджуються в обидві сторони, так що усі вузли мережі їх отримують. Кадр даних завжди супроводжується преамбулою, яка складається з 7 байтів із значеннями 10101010, і 8-го байта із значенням 10101011. Преамбула потрібна для входження приймача в побітовий і побайтовий синхронізм з передавачом.
Всі станції, підключені до кабеля, можуть розпізнати факт передачі кадру, і та станція, яка впізнає власну адресу в заголовку кадру, записує його вміст в свій внутрішній буфер, обробляє отримані дані, передає їх вверх по свому стеку, а потім надсилає по кабелю кадр-відповідь. Адреса станції-джерела міститься в вихідному кадрі, тому станція-отримувач знає, кому потрібно послати відповідь.
Вузол 2 під час передачі кадру вузлом 1 також намагався почати передачу свого кадру, однак виявив, що середовище зайняте – на ній присутня несуча частота, – тому вузол 2 вимушений чекати, доки вузол 1 не закінчить передачу кадру.
Після закінчення передачі кадра всі вузли мережі зобов’язані витримати технологічну паузу (Inter Packet Gap) в 9,6 мкс. Ця пауза, називається також міжкадровим інтервалом і потрібна для приведення мережевих адаптерів у вихідне положення, а також для запобігання монопольного захвату середовища однією станцією. Після закінчення технологічної паузи вузли мають право почати передачу свого кадра, так як середовище вільне. Через затримки розповсюдження сигналу по кабелю не всі вузли одночасно фіксують факт закінчення передачі кадра вузлом 1.
В наведеному прикладі вузол 2 дочекався кінця передачі кадра вузлом 1, зробив паузу в 9,6 мкс і почав передачу свого кадра.
Виникнення колізій
В описаному підході можлива ситуація, коли дві станції одночасно намагаються передати кадр даних по загальному середовищу передачі. Механізм прослуховування середовища і пауза між кадрами не гарантують відсутності такої ситуації, коли дві або більше станцій одночасно вирішують, що середовище вільне, і починають передавати свої кадри. Кажуть, що при цьому відбувається колізія (collision), так як вмісти обох кадрів стикаються на загальному кабелі і відбувається спотворення інформації. Методи кодування, які використовуються в Ethernet, не дозволяють виділяти сигнали кожної станції із загального сигналу.
Колізія – це нормальна ситуація в роботі мережі Ethernet. В прикладі, зображеному на рис.2.4., колізію породила одночасна передача даних вузлами 3 і 1. Для виникнення колізії не обовязково, щоб декілька станцій почали передачу абсолютно одночасно, така ситуація мало ймовірна. Більш ймовірніше, що колізія виникає через те, що один вузол починає передачу раніше іншого, але до другого вузла сигнал першого не встигає дійти до того часу, коли другий вузол вирішує почати передачу свого кадру. Тобто колізії – це наслідок розподіленого характеру мережі.
Рис.2.4. Виникнення колізій
Щоб коректно обробити колізію всі станції одночасно спостерігають за виникаючими на кабелі сигналами. І якщо сигнали, що передаються та спостерігаються, різняться, то фіксується виявлення колізії (collision detection, CD). Для збільшення ймовірності швидшого виявлення колізії всіма станціями мережі, станція, яка виявила колізію, перериває передачу свого кадру (в будь-якому місці, можливо і не на границі байта) і підсилює ситуацію колізії посиланням в мережу спеціальної послідовності із 32 біт, яка називається jam-послідовністю.
Після цього станція, яка виявила колізію, повинна закінчити передачу і зробити паузу на протязі короткого випадкового інтервалу часу. Потім вона може знову намагатися захопити середовище і передавати кадр. Випадкова пауза вибирається за наступним алгоритмом:
Пауза = L x (інтервал затримки), де інтервал затримки рівний 512 бітовим інтервалам (в технології Ethernet прийнято всі інтервали вимірювати в бітових інтервалах; бітовий інтервал позначається як bt і відповідає часу між появою двох послідовних бітів даних на кабелі; для швидкості 10 Мбіт/c величина бітового інтервалу рівна 0,1 мкс);
L – представляє собою ціле число, вибране з рівною ймовірністю із діапазону [0,2N], де N – номер повторної спроби передачі кадру: 1, 2, 10.
Після 10-ої спроби інтервал, з якого вибирається пауза не збільшується. Таким чином, випадкова пауза може мати значення від 0 до 52,4 мкс. Якщо 16 послідовних спроб передачі кадру викликають колізію, то передавач повинен припинити спроби і відкинути даний кадр.
Із опису методу доступу видно, що він носить ймовірнісний характер і ймовірність успішного отримання в своє розпорядження загального середовища залежить від завантаження мережі, тобто від інтенсивності виникнення в станціях потреби в передачі кадрів. При розробці цього методу в кінці 70-х років припускалося, що швидкість передачі даних 10 Мбіт/c дуже висока в порівнянні з потребами компютерів у взаємному обміні даними, тому завантаження мережі буде завжди невисоким. Це припущення залишається іноді справедливим і до теперішнього часу, однак вже з’явилися аплікації, які працюють в реальному маштабі часу з мультимедійною інформацією, яка дуже завантажує сегменти Ethernet. При цьому колізії виникають значно частіше. При значній інтенсивності колізій корисна пропускна здатність мережі Ethernet зменшується, так як мережа майже постійно зайнята повторними спробами передачі кадрів. Для зменшення інтенсивності виникнення колізій потрібно або зменшити трафік, скоротивши, наприклад, кількість вузлів в сегменті, або замінити аплікацію, або підвищити швидкість протоколу, наприклад, перейти на Fast Ethernet.
Слід підкреслити, що метод доступу CSMA/CD взагалі не гарантує станції, що вона коли-небудь зможе отримати доступ до середовища. Звичайно, при невеликому завантаженні мережі ймовірність такої події не велика, але при коефіцієнті використання мережі близького до 1, така подія стає дуже ймовірною. Даний недолік методу випадкового доступу – платня за його простоту, яка зробила технологію Ethernet найдешевшою. Інші методи доступу – маркерний доступ до мережі Token Ring i FDDI, метод Demand Priority мереж 100VG-AnyLAN – вільні від цього недоліку.
Час подвійного обороту і розпізнавання колізій
Чітке розпізнавання колізій всіма станціями мережі є необхідною умовою коректної роботи мережі Ethernet. Якщо якась передаюча станція не розпізнає колізію і вирішить, що кадр даних нею переданий вірно, то цей кадр даних буде втрачений. Через накладання сигналів при колізії інформація кадра спотвориться, і він буде відбракований приймаючою станцією (можливо, із-за неспівпадіння контрольної суми). Швидше за все, спотворена інформація буде повторно передана яким-небудь протоколом верхнього рівня, наприклад, транспортним або прикладним, які працюють з встановленням сполучення. Але повторна передача повідомлення протоколами верхніх рівнів відбудеться через значно довший інтервал часу (іноді навіть через декілька секунд) в порівнянні з мікросекундними інтервалами, якими оперує протокол Ethernet. Тому, якщо колізії не будуть надійно розпізнаватися вузлами мережі Ethernet, то це приведе до помітного зменшення корисної пропускної здатності мережі.
Для надійного розпізнавання колізії повинно виконуватись наступне співвідношення:
Tmin ( PDV,
де Tmin – час передачі кадра мінімальної довжини, а PDV – час, за який сигнал колізії встигає розповсюдитись до найвіддаленішого вузла мережі. Так як в гіршому випадку сигнал повинен пройти двічі між найбільш віддаленими одна від одної станціями мережі (в одну сторону проходить неспотворений, а на зворотньому шляху розповсю...
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора