Физический уровень 100Base-FX - многомодовое оптоволокно, два волокна
В то время как Ethernet со скоростью передачи 10 Мбит/с использует манчестерское кодирование для представления данных при передаче по кабелю, в стандарте Fast Ethernet определен другой метод кодирования - 4В/5В. При этом методе каждые 4 бита данных подуровня MAC представляются 5 битами. Избыточный бит позволяет применить потенциальные коды при представлении каждого из пяти бит в виде электрических или оптических импульсов. Существование запрещенных комбинаций символов позволяет отбраковывать ошибочные символы, что повышает устойчивость работы сетей с 100Base-FX/TX.
После преобразования 4-битовых порций кодов MAC в 5-битовые порции физического уровня их необходимо представить в виде оптических или электрических сигналов в кабеле, соединяющем узлы сети. Спецификации 100Base-FX и 100Base-TX используют для этого различные методы физического кодирования - NRZI и MLT-3 соответственно (как и в технологии FDDI при работе через оптоволокно и витую пару).
Физический уровень 100Base-TX - витая пара UTP Cat 5 или STP Туре 1, две пары
В качестве среды передачи данных спецификация 100Base-TX использует кабель UTP категории 5 или кабель STP Type 1. Максимальная длина кабеля в обоих случаях - 100 м.
Основные отличия от спецификации 100Base-FX - использование метода MLT-3 для передачи сигналов 5-битовых порций кода 4В/5В по витой паре, а также наличие функции автопереговоров для выбора режима работы порта. Схема автопереговоров позволяет двум соединенным физически устройствам, которые поддерживают несколько стандартов физического уровня, отличающихся битовой скоростью и количеством витых пар, выбрать наиболее выгодный режим работы.
схема автопереговоров является стандартом технологии 100Base-T. определено 5 различных режимов работы, которые могут поддерживать устройства 100Base-TX или 100Base-T4 на витых парах:
10Base-T full-duplex - 2 пары категории 3;
100Base-TX - 2 пары категории 5 (или Type 1A STP);
100Base-T4 - 4 пары категории 3;
100Base-TX full-duplex - 2 пары категории 5 (или Type 1A STP).
Режим 10Base-T имеет самый низкий приоритет при переговорном процессе, а полнодуплексный режим 100Base-T4 - самый высокий. Переговорный процесс происходит при включении питания устройства, а также может быть инициирован в любой момент модулем управления устройства.
Физический уровень 100Base-T4 - витая пара UTP Cat 3, четыре пары Спецификация 100Base-T4 была разработана для того, чтобы можно было использовать для высокоскоростного Ethernet имеющуюся проводку на витой паре категории 3. Эта спецификация позволяет повысить общую пропускную способность за счет одновременной передачи потоков бит по всем 4 парам кабеля. Спецификация 100Base-T4 появилась позже других спецификаций физического уровня Fast Ethernet. Разработчики этой технологии в первую очередь хотели создать физические спецификации, наиболее близкие к спецификациям 10Base-T и 10Base-F, которые работали на двух линиях передачи данных: двух парах или двух волокнах. Для реализации работы по двум витым парам пришлось перейти на более качественный кабель категории 5.
В то же время разработчики конкурирующей технологии 100VG-AnyLAN изначально сделали ставку на работу по витой паре категории 3; самое главное преимущество состояло не столько в стоимости, а в том, что она была уже проложена в подавляющем числе зданий. Поэтому после выпуска спецификаций 100Base-TX и 100Base-FX разработчики технологии Fast Ethernet реализовали свой вариант физического уровня для витой пары категории 3.
Вместо кодирования 4В/5В в этом методе используется кодирование 8В/6Т, которое обладает более узким спектром сигнала и при скорости 33 Мбит/с укладывается в полосу 16 МГц витой пары категории 3 (при кодировании 4В/5В спектр сигнала в эту полосу не укладывается). Каждые 8 бит информации уровня MAC кодируются 6-ю троичными цифрами (ternary symbols), то есть цифрами, имеющими три состояния. Каждая троичная цифра имеет длительность 40 не. Группа из 6-ти троичных цифр затем передается на одну из трех передающих витых пар, независимо и последовательно.
Четвертая пара всегда используется для прослушивания несущей частоты в целях обнаружения коллизии. Скорость передачи данных по каждой из трех передающих пар равна 33,3 Мбит/с, поэтому общая скорость протокола 100Base-T4 составляет 100 Мбит/с. В то же время из-за принятого способа кодирования скорость изменения сигнала на каждой паре равна всего 25 Мбод, что и позволяет использовать витую пару категории 3.
В качестве среды передачи данных спецификация 100Base-TX использует кабель UTP категории 5 или кабель STP Type 1. Максимальная длина кабеля в обоих случаях - 100 м.
В спецификации 100Base-TX стандарта Fast Ethernet определен метод кодирования - 4В/5В. При этом методе каждые 4 бита данных подуровня MAC (называемых символами) представляются 5 битами. Избыточный бит позволяет применить потенциальные коды при представлении каждого из пяти бит в виде электрических или оптических импульсов. Существование запрещенных комбинаций символов позволяет отбраковывать ошибочные символы, что повышает устойчивость работы сетей с l00Base-TX.
Для отделения кадра Ethernet от символов Idle используется комбинация символов Start Delimiter (пара символов J (11000) и К (10001) кода 4В/5В, а после завершения кадра перед первым символом Idle вставляется символ Т (рис. 1.9).
Рис. 1.9
После преобразования 4-битовых порций кодов MAC в 5-битовые порции физического уровня их необходимо представить в виде оптических или электрических сигналов в кабеле, соединяющем узлы сети. Спецификация 100Base-TX использует для этого методы физического кодирования MLT-3.
Имеется функция автопереговоров (Auto-negotiation) для выбора режима работы порта. Схема автопереговоров позволяет двум соединенным физически устройствам, которые поддерживают несколько стандартов физического уровня, отличающихся битовой скоростью и количеством витых пар, выбрать наиболее выгодный режим работы. Обычно процедура автопереговоров происходит при подсоединении сетевого адаптера, который может работать на скоростях 10 и 100 Мбит/с, к концентратору или коммутатору.
Описанная ниже схема Auto-negotiation сегодня является стандартом технологии 100Base-T. Принятую в качестве стандарта схему Auto-negotiation предложила первоначально компания National Semiconductor под названием NWay.
Всего в настоящее время определено 5 различных режимов работы, которые могут поддерживать устройства l00Base-TX или 100Base-T4 на витых парах:
- 10Base-T - 2 пары категории 3;
- 10Base-T full-duplex - 2 пары категории 3;
- 100Base-TX - 2 пары категории 5 (или Type 1A STP);
- 100Base-T4 - 4 пары категории 3;
- 100Base-TX full-duplex - 2 пары категории 5 (или Type 1A STP).
Режим 10Base-T имеет самый низкий приоритет при переговорном процессе, а полнодуплексный режим 100Base-TX - самый высокий. Переговорный процесс происходит при включении питания устройства, а также может быть инициирован в любой момент модулем управления устройства.
Устройство, начавшее процесс auto-negotiation, посылает своему партнеру пачку специальных импульсов Fast Link Pulse burst (FLP), в котором содержится 8-битное слово, кодирующее предлагаемый режим взаимодействия, начиная с самого приоритетного, поддерживаемого данным узлом.
Если узел-партнер поддерживает функцию auto-negotuiation и также может поддерживать предложенный режим, он отвечает пачкой импульсов FLP, в которой подтверждает данный режим, и на этом переговоры заканчиваются. Если же узел-партнер может поддерживать менее приоритетный режим, то он указывает его в ответе, и этот режим выбирается в качестве рабочего. Узел, который поддерживает только технологию l0Base-T, каждые 16 мс посылает манчестерские импульсы для проверки целостности линии, связывающей его с соседним узлом. Такой узел не понимает запрос FLP, который делает ему узел с функцией Auto-negotiation, и продолжает посылать свои импульсы. Узел, получивший в ответ на запрос FLP только импульсы проверки целостности линии, понимает, что его партнер может работать только по стандарту 10Base-T, и устанавливает этот режим работы и для себя.
| Физический интерфейс | 100Base-FX | 100Base-TX | 100Base-T4 |
| Порт устройства | Duplex SC | RJ-45 | RJ-45 |
| Среда передачи | Оптическое волокно |
Витая пара
UTP Cat. 5 |
Витая пара UTP Cat. 3,4,5 |
| Сигнальная схема | 4B/5B | 4B/5B | 8B/6T |
| Битовое
Кодирование |
NRZI | MLT-3 | NRZI |
| Число витых пар/ волокон | 2 волокна | 2 витых пары | 4 витых пары |
| Протяженность сегмента |
до 412 м(mm)
до 2 км (mm)* до 100 км (sm)* |
до 100 м | до 100 м |
| Обозначения:
mm - многомодовое волокно, sm – одномодовое волокно, * - указанные расстояния могут быть достигнуты только при дуплексном режиме связи. |
|||
100Base-FX
Стандарт этого волоконно-оптического интерфейса
полностью идентичен стандарту FDDI PMD, который подробно рассмотрен в главе
6. Основным оптическим разъемом стандарта 100Base-FX является Duplex SC.
Интерфейс допускает дуплексный канал связи.
100Base-TX
Стандарт этого физического интерфейса
предполагает использование неэкранированной витой пары категории не ниже
5. Он полностью идентичен стандарту FDDI UTP PMD, который также подробно
рассмотрен в главе 6. Физический порт RJ-45 как и в стандарте 10Base-T
может быть двух типов: MDI (сетевые карты, рабочие станции) и MDI-X (повторителе
Fast Ethernet, коммутаторы). Порт MDI в единичном количестве может иметься
на повторителе Fast Ethernet. Для передачи по медному кабелю используются
пары 1 и 3. Пары 2 и 4 - свободны. Порт RJ-45 на сетевой карте и на коммутаторе
может поддерживать на ряду с режимом 100Base-TX и режим 10Base-T или функцию
автоопределения скорости. Большинство современных сетевых карт и коммутаторов
поддерживают эту функцию по портам RJ-45 и кроме этого могут работать в
дуплексном режиме.
100Base-T4
Этот тип интерфейса позволяет обеспечить
полудуплексный канал связи по витой паре UTP Cat.3 и выше. Именно возможность
перехода предприятия со стандарта Ethernet на стандарт Fast Ethernet без
радикальной замены существующей кабельной системы на основе UTP Cat.3 следует
считать главным преимуществом этого стандарта.
В отличи от стандарта 100Base-TX, где для передачи используется только две витых пары кабеля, в стандарте 100Base-T4 используются все четыре пары (рис.3а). Причем при связи рабочей станции и повторителя посредством прямого кабеля, данные от рабочей станции к повторителю идут по витым парам 1, 3 и 4, а в обратном направлении - по парам 2, 3 и 4. Пары 1 и 2 используются для обнаружения коллизий подобно стандарту Ethernet. Другие две пары 3 и 4 попеременно в зависимости от команд могут пропускать сигнал либо в одном, либо в другом направлении. Битовая скорость в расчете на один канал составляет 33,33 Мбит/с.
Символьное кодирование 8B/6T. Если использовалось бы манчестерское кодирование, то битовая скорость в расчете на одну витую пару была бы 33.33 Мбит/с, что превышало установленный предел 30 МГц для таких кабелей. Эффективное уменьшить частоты модуляции достигается, если вместо прямого (2-х уровневого) бинарного кода использовать 3-х уровневый (ternary) код. Этот код известен как 8B6T ;это означает, что прежде, чем происходит передача, каждый набор из 8 бинарных битов (символ) сначала преобразуется в соответствии с определенными правилами в 6 тройных (3-х уровневых) символов. На примере, показанном на рис.3б, можно определить скорость 3-х уровневого символьного сигнала:
значение которой не превышает установленный предел.
Интерфейс 100Base-T4 имеет один существенный недостаток - принципиальную невозможность поддержки дуплексного режима передачи. И если при строительстве небольших сетей Fast Ethernet с использованием повторителей, 100Base-TX не имеет преимуществ перед 100Base-T4 (существует коллизионный домен, полоса пропускания которого не больше 100 Мбит/с), то при строительстве сетей с использованием коммутаторов недостаток интерфейса 100Base-T4 становится очевидным и очень серьезным. Поэтому данный интерфейс не получи столь большого распространения, как 100Base-TX и 100Base-FX.
Оптоволоконные сети в нашем регионе, как и черная икра, не пользуются большим спросом. Однако там, где речь идет о безопасности информации, высокой помехозащищенности или о преодолении дистанционных ограничений топологии, другого выбора не представляется.
Вряд ли будет ошибочным утверждение, что победное шествие технологии Ethernet началось с появлением стандартов 10Base-Т для витой пары. Одной из основных причин этого являлась укладка кабеля UTP 3 или UTP 5 в строящихся зданиях по умолчанию (речь, конечно, идет о Западе). Серия стандартов 10Base-F для оптоволокна явилась логическим расширением стандартов 10Base-Т. Но если инкрементная миграция к стандарту 100Base-T для сетей на витой паре, в общем, не представляла проблем, то это было не так в случае оптоволоконных сетей ввиду несовместимости соответствующих стандартов по длине волны: 850 нм для 10Base-F и 1300 мкм для 100Base-FX.
В то же время инсталлированная база 10-мегабитовых оптоволоконных сетей Ethernet оказалась достаточной для оказания необходимого давления на индустрию. Попытки создать проект в рамках группы IEEE 802.3 для решения этой проблемы оказались безуспешными, и производители, заинтересованные в разработке соответствующего стандарта, организовали группу под эгидой TIA (Telecommunications Industry Association). Группа TIA надеется, что разрабатываемый ею стандарт, который называется 100Base-SX (S обозначает short wavelength), будет, в конечном счете, принят IEEE.
По тем или иным причинам 10-мегабитовым оптоволоконным сетям Ethernet уделялось недостаточно внимания на страницах нашего еженедельника, и сейчас представился повод подробнее рассказать о данной технологии. Вероятнее всего для большинства наших читателей это будет иметь лишь исторический интерес, однако описание соответствующих стандартов не только восполнит пробел, но и поможет прояснить суть проблемы.
Основные свойства оптического кабеля
Прежде чем переходить к описанию стандартов 10Base-F, остановимся на некоторых особенностях строения и свойствах оптоволокна, необходимых для дальнейшего. Из конструктивных особенностей для нас важна только рабочая зона кабеля, а именно сердцевина и оболочка (не защитная). Сердцевина выполняется из кварцевого стекла или оптического пластика и имеет высокий коэффициент преломления. У оболочки, которая охватывает сердцевину, коэффициент преломления более низкий. Таким образом, луч, распространяющийся в сердцевине, испытывает на границе сред полное внутреннее отражение.
Существуют два основных типа оптоволоконного кабеля: одномодовый и многомодовый. Их оптические свойства определяются диаметром сердцевины. Наиболее характерные размеры: 8,3 мкм для одномодового волокна, 50 или 62,5 мкм для многомодового и 125 мкм для оболочки. Кабель маркируется двумя этими числами, указанными через косую (например, 8,3/125 — для одномодового волокна или 62,5/125 — для многомодового).
По одномодовому оптоволокну без значительного затухания может распространяться луч одной определенной частоты (одна мода), в то время как по многомодовому — лучи из довольно большого диапазона частот (много мод).
В отличие от монохромного излучения, в случае одномодового волокна передатчик для многомодового волокна излучает свет в некотором узком диапазоне частот. Лучи входят в сердцевину под слегка отличающимися углами, в результате чего длины их путей не совпадают. Это приводит к тому, что к приемнику они приходят в разное время, формируя эффект, называемый модальной дисперсией, который вызывает деградацию сигнала. Этого не происходит в одномодовом волокне, поэтому оно способно передавать сигнал на более длинные дистанции. Многомодовое волокно имеет два так называемых окна прозрачности, т. е. две длины волны с относительно низкой величиной затухания: коротковолновое — около 850 нм (порог видимого спектра) и длинноволновое — приблизительно 1300 нм (инфракрасный спектр).
Краткая история оптических стандартов Ethernet
Будем помнить, что речь идет о "медленной", 10-мегабитовой технологии Ethernet. Первый оптический стандарт, который назывался Fiber Optic Inter-Repeater Link (FOIRL), был принят в 1987 г. и являлся частью спецификации репитера. Он был разработан с целью обеспечить связь типа точка—точка между двумя относительно далеко (до 1 км) отстоящими репитерами. Стандарт поддерживал пропускную способность 10 Mbps по двум многомодовым оптоволоконным кабелям, образующим дуплексный канал, и использовал излучение длиной 850 нм.
Несколькими годами позже был принят стандарт 10Base-F с такими же средой передачи и длиной волны, обратносовместимый с FOIRL. Идентификатор 10Base-F относился к группе из трех типов оптических сегментов: 10Base-FL, 10Base-FB и 10Base-FP, которые были несовместимы друг с другом по оптическим интерфейсам. Перейдем теперь к краткому их описанию.
10Base-FL (Fiber Link) — стандарт разрабатывался для замены FOIRL. Он поддерживает длину сегмента до 2 км. Эта технология позволяет связать два компьютера, два репитера или компьютер и репитер. Все сегменты 10Base-FL являются соединениями типа точка—точка с трансивером на каждом конце. Компьютер подсоединяется к среде передачи (в типичном случае — к двум оптоволоконным кабелям 62,5/125) с помощью внешнего трансивера, а сетевая карта компьютера — к трансиверу с помощью кабеля AUI (Attachment Unit Interface). Прием и передача ведутся по отдельным кабелям, что позволяет опционально организовать дуплексный канал. В дуплексном режиме 10Base-FL может поддерживать длину сегмента более 2 км, так как не существует больше временных ограничений, накладываемых возможностью коллизий. К примеру, при использовании высококачественного многомодового оптоволокна длина сегмента может достигать 5 км.
10Base-FB (Fiber Backbone) — эта технология разрабатывалась исключительно для соединения двух репитеров и не допускала непосредственного соединения компьютера и репитера. Кроме того, что она поддерживала длину индивидуального сегмента до 2 км, технология позволяла увеличить количество репитеров, которое могло быть использовано в сети. Это достигалось с помощью специального синхронизирующего протокола. Стандарт использовал те же типы кабеля и коннекторы, что и 10Base-FL, однако порты репитеров этих двух типов не могли быть прямо соединены из-за различия сигнальных протоколов. 10Base-FB не поддерживал также дуплексный режим.
10Base-FP (Fiber Passive) — реализация данной спецификации представляет собой систему пассивной звезды. Ее "луч" может достигать длины 500 м, а хаб — связывать до 33 компьютеров. Поскольку хаб не требует питания, то эта технология идеально подходит для мест, куда нельзя подвести электричество. Устройство получает оптический сигнал от специального трансивера 10Base-FP и распределяет его равномерно по всем остальным трансиверам, подключенным к нему, включая и тот, от которого получен сигнал. Технология не поддерживает дуплексный режим и вообще не получила широкого распространения.
Вот вкратце то, что представляла собой с технологической точки зрения инсталлированная база оптоволоконных 10-мегабитовых сетей Ethernet. Для миграции к Fast Ethernet в этой ситуации имелись три препятствия:
стандарты 10Base-FL и 100Base-FX несовместимы по длине волны (850 и 1300 нм, соответственно);
несовместимость не позволяла использовать схему автосогласования (autonegotiation), которая требуется для инкрементной миграции;
первоначальная стоимость разворачивания сетей на многомодовом оптоволокне выше, чем в случае медной проводки.
Конечно, возникает справедливый вопрос: почему же при разработке оптоволоконных стандартов Fast Ethernet 100Base-FX не была принята с целью совместимости длина волны 850 нм? А дело в том, что, когда в начале 90-х комитет стандартов начал работу над Fast Ethernet, уже существовала технология 100 Mbps, использующая в качестве среды передачи витую пару и оптоволокно. Это FDDI. Было удобно (и целесообразно) применить проверенную технологию. Поэтому стандарты Fast Ethernet 100Base-ТX (витая пара) и 100Base-FX (оптоволокно) используют один и тот же физический уровень FDDI, который предписывает длину волны 1300 нм.
Стандарт 100Base-SX
Основной мотивацией для разработки нового стандарта было обеспечение инкрементной миграции (и тем самым снижение стоимости) к Fast Ethernet для оптоволоконных сетей Ethernet предыдущего поколения. Как уже отмечалось выше, стандарт 100Base-FX не поддерживает длину волны 850 нм, что выглядит совершенно нелепо, так как оптические компоненты для технологий 10 и 100 Mbps совершенно идентичны. Это значит, что трансиверы для обеих технологий имеют примерно одинаковую стоимость при десятикратной разнице в поддерживаемых скоростях.
Предлагаемый стандарт 100Base-SX состоит из двух основных частей. Первая часть описывает подуровень, зависимый от физической среды передачи, — Physical Medium Dependent (PMD). Он предусматривает скорость передачи 100 Mbps и использование света с длиной волны 850 нм (номинально). Основные требования стандарта следующие:
тип оптоволокна — многомодовое, 50/125 или 62,5/125;
максимальное затухание — 3,75 дБ/км;
минимальная модальная полоса — 160 MHz на 1 км;
тип коннекторов — ST или SC;
минимальная дистанция — 500 м.
Вторая часть относится к сигнализации на физическом уровне (в смысле протокола), с помощью которой должен обеспечиваться режим автосогласования. Как и в случае для витой пары, эта часть является опциональной.
Вследствие дистанционных ограничений стандарт не рассматривается как решение для магистрали, хотя, конечно, ничто не препятствует его использованию для этой цели в случае небольших расстояний.
Первое голосование по предлагаемому стандарту (SP-4360) состоялось в TIA в конце февраля 1999 г. С этого момента каких-либо технических проблем не предвидится. Ратификация стандарта ожидается в конце этого года. Предлагаемый стандарт поддерживают более 25 компаний. Некоторые из них уже выпустили продукты, удовлетворяющие предварительной версии, многие находятся в процессе разработки. По очевидным причинам эта технология вряд ли найдет широкое применение в нашем регионе, однако те организации, которые в свое время установили сети 10Base-FL, могут значительно сэкономить, проявив необходимое терпение.
Fast Ethernet
Fast Ethernet - спецификация IEЕЕ 802.3 u официально принятая 26 октября 1995 года определяет стандарт протокола канального уровня для сетей работающих при использовании как медного, так и волоконно-оптического кабеля со скоростью 100Мб/с. Новая спецификация является наследницей стандарта Ethernet IEЕЕ 802.3, используя такой же формат кадра, механизм доступа к среде CSMA/CD и топологию звезда. Эволюция коснулась нескольких элементов конфигурации средств физического уровня, что позволило увеличить пропускную способность, включая типы применяемого кабеля, длину сегментов и количество концентраторов.
Структура Fast Ethernet
Чтобы лучше понять работу и разобраться во взаимодействии элементов Fast Ethernet обратимся к рисунку 1.
Рисунок 1. Система Fast Ethernet
Подуровень управления логической связью (LLC)
В спецификации IEEE 802.3 u функции канального уровня разбиты на два подуровня: управления логической связью (LLC) и уровня доступа к среде (MAC), который будет рассмотрен ниже. LLC, функции которого определены стандартом IEEE 802.2, фактически обеспечивает взаимосвязь с протоколами более высокого уровня, (например, с IP или IPX), предоставляя различные коммуникационные услуги:
- Сервис без установления соединения и подтверждений приема. Простой сервис, который не обеспечивает управления потоком данных или контроля ошибок, а также не гарантирует правильную доставку данных.
- Сервис с установлением соединения. Абсолютно надежный сервис, который гарантирует правильную доставку данных за счет установления соединения с системой-приемником до начала передачи данных и использования механизмов контроля ошибок и управления потоком данных.
- Сервис без установления соединения с подтверждениями приема. Средний по сложности сервис, который использует сообщения подтверждения приема для обеспечения гарантированной доставки, но не устанавливает соединения до передачи данных.
На передающей системе данные, переданные вниз от протокола Сетевого уровня, вначале инкапсулируются подуровнем LLC. Стандарт называет их Protocol Data Unit (PDU, протокольный блок данных). Когда PDU передается вниз подуровню MAC, где снова обрамляется заголовком и постинформацией, с этого момента технически его можно назвать кадром. Для пакета Ethernet это означает, что кадр 802.3 помимо данных Сетевого уровня содержит трехбайтовый заголовок LLC. Таким образом, максимально допустимая длина данных в каждом пакете уменьшается с 1500 до 1497 байтов.
Заголовок LLC состоит из трех полей:
В некоторых случаях кадры LLC играют незначительную роль в процессе сетевого обмена данными. Например, в сети, использующей TCP/IP наряду с другими протоколами, единственная функция LLC может заключаться в предоставлении возможности кадрам 802.3 содержать заголовок SNAP, подобно Ethertype указывающий протокол Сетевого уровня, которому должен быть передан кадр. В этом случае все PDU LLC задействуют ненумерованный информационный формат. Однако другие высокоуровневые протоколы требуют от LLC более расширенного сервиса. Например, сессии NetBIOS и несколько протоколов NetWare используют сервисы LLC с установлением соединения более широко.
Заголовок SNAP
Принимающей системе необходимо определить, какой из протоколов Сетевого уровня должен получить входящие данные. В пакетах 802.3 в рамках PDU LLC применяется еще один протокол, называемый Sub - Network Access Protocol (SNAP, протокол доступа к подсетям).
Заголовок SNAP имеет длину 5 байт и располагается непосредственно после заголовка LLC в поле данных кадра 802.3, как показано на рисунке. Заголовок содержит два поля.
Код организации. Идентификатор организации или производителя - это 3-байтовое поле, которое принимает такое же значение, как первые 3 байта МАС-адреса отправителя в заголовке 802.3.
Локальный код. Локальный код - это поле длиной 2 байта, которое функционально эквивалентно полю Ethertype в заголовке Ethernet II.
Подуровень согласования
Как было сказано ранее Fast Ethernet это эволюционировавший стандарт. MAC рассчитанный на интерфейс AUI, необходимо преобразовать для интерфейса MII, используемого в Fast Ethernet, для чего и предназначен этот подуровень.
Управление доступом к среде ( MAC)
Каждый узел в сети Fast Ethernet имеет контроллер доступа к среде (Media Access Controller - MAC). MAC имеет ключевое значение в Fast Ethernet и имеет три назначения:
Самым важным из трех назначений MAC является первое. Для любой сетевой технологии, которая использует общую среду, правила доступа к среде, определяющие, когда узел может передавать, являются ее основной характеристикой. Разработкой правил доступа к среде занимаются несколько комитетов IЕЕЕ. Комитет 802.3, часто именуемый комитетом Ethernet, определяет стандарты на ЛВС, в которых используются правила под названием CSMA/ CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection - множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов).
CSMS/ CD являются правилами доступа к среде как для Ethernet, так и для Fast Ethernet. Именно в этой области две технологии полностью совпадают.
Поскольку все узлы в Fast Ethernet совместно используют одну и ту же среду, передавать они могут лишь тогда, когда наступает их очередь. Определяют эту очередь правила CSMA/ CD.
CSMA/ CD
Контроллер MAC Fast Ethernet, прежде чем приступить к передаче, прослушивает несущую. Несущая существует лишь тогда, когда другой узел ведет передачу. Уровень PHY определяет наличие несущей и генерирует сообщение для MAC. Наличие несущей говорит о том, что среда занята и слушающий узел (или узлы) должны уступить передающему.
MAC, имеющий кадр для передачи, прежде чем передать его, должен подождать некоторый минимальный промежуток времени после окончания предыдущего кадра. Это время называется межпакетной щелью (IPG, interpacket gap) и продолжается 0,96 микросекунды, то есть десятую часть от времени передачи пакета обычной Ethernet со скоростью 10 Мбит/с (IPG - единственный интервал времени, всегда определяемый в микросекундах, а не во времени бита) рисунок 2.
Рисунок 2. Межпакетная щель
После окончания пакета 1 все узлы ЛВС обязаны подождать в течение времени IPG, прежде чем смогут передавать. Временной интервал между пакетами 1 и 2, 2 и 3 на рис. 2 - это время IPG. После завершения передачи пакета 3 ни один узел не имел материала для обработки, поэтому временной интервал между пакетами 3 и 4 длиннее, чем IPG.
Все узлы сети должны соблюдать эти правила. Даже если на узле имеется много кадров для передачи и данный узел является единственным передающим, то после пересылки каждого пакета он должен выждать в течение, по крайней мере, времени IPG.
Именно в этом заключается часть CSMA правил доступа к среде Fast Ethernet. Короче говоря, многие узлы имеют доступ к среде и используют несущую для контроля ее занятости.
В ранних экспериментальных сетях применялись именно эти правила, и такие сети работали очень хорошо. Тем не менее, использование лишь CSMA привело к возникновению проблемы. Часто два узла, имея пакет для передачи и прождав время IPG, начинали передавать одновременно, что приводило к искажению данных с обеих сторон. Такая ситуация называется коллизией (collision) или конфликтом.
Для преодоления этого препятствия ранние протоколы использовали достаточно простой механизм. Пакеты делились на две категории: команды и реакции. Каждая команда, переданная узлом, требовала реакции. Если в течение некоторого времени (называемого периодом тайм-аута) после передачи команды реакция на нее не была получена, то исходная команда подавалась вновь. Это могло происходить по нескольку раз (предельное количество тайм-аутов), прежде чем передающий узел фиксировал ошибку.
Эта схема могла прекрасно работать, но лишь до определенного момента. Возникновение конфликтов приводило к резкому снижению производительности (измеряемой обычно в байтах в секунду), потому что узлы часто простаивали в ожидании ответов на команды, никогда не достигающие пункта назначения. Перегрузка сети, увеличение количества узлов напрямую связаны с ростом числа конфликтов и, следовательно, со снижением производительности сети.
Проектировщики ранних сетей быстро нашли решение этой проблемы: каждый узел должен устанавливать факт потери переданного пакета путем обнаружения конфликта (а не ожидать реакции, которая никогда не последует). Это означает, что потерянные в связи с конфликтом пакеты должны быть немедленно переданы вновь до окончания времени тайм-аута. Если узел передал последний бит пакета без возникновения конфликта, значит, пакет передан успешно.
Метод контроля несущей хорошо сочетать с функцией обнаружения коллизий. Коллизии все еще продолжают происходить, но на производительности сети это не отражается, так как узлы быстро избавляются от них. Группа DIX, разработав правила доступа к среде CSMA/CD для Ethernet, оформила их в виде простого алгоритма - рисунок 3.
Рисунок 3. Алгоритм работы CSMA/CD
Устройство физического уровня ( PHY)
Поскольку Fast Ethernet может использовать различный тип кабеля, то для каждой среды требуется уникальное предварительное преобразование сигнала. Преобразование также требуется для эффективной передачи данных: сделать передаваемый код устойчивым к помехам, возможным потерям, либо искажениям отдельных его элементов (бодов), для обеспечения эффективной синхронизации тактовых генераторов на передающей или приемной стороне.
Подуровень кодирования ( PCS)
Кодирует/декодирует данные поступающие от/к уровня MAC с использованием алгоритмов или .
Подуровни физического присоединения и зависимости от физической среды ( PMА и PMD)
Подуровни РМА и PMD осуществляют связь между подуровнем PSC и интерфейсом MDI, обеспечивая формирование в соответствии с методом физического кодирования: или .
Подуровень автопереговоров (AUTONEG)
Подуровень автопереговоров позволяет двум взаимодействующим портам автоматически выбирать наиболее эффективный режим работы: дуплексный или полудуплексный 10 или 100 Мб/с. Физический уровень
Стандарт Fast Ethernet определяет три типа среды передачи сигналов Ethernet со скоростью 100 Мбит/с.
- 100Base-TX - две витые пары проводов. Передача осуществляется в соответствии со стандартом передачи данных в витой физической среде, разработанным ANSI (American National Standards Institute - Американский национальный институт стандартов). Витой кабель для передачи данных может быть экранированным, либо неэкранированным. Использует алгоритм кодирования данных 4В/5В и метод физического кодирования MLT-3.
- 100Base-FX - две жилы, волоконно-оптического кабеля. Передача также осуществляется в соответствии со стандартом передачи данных в волоконно-оптической среде, которой разработан ANSI. Использует алгоритм кодирования данных 4В/5В и метод физического кодирования NRZI.
Спецификации 100Base-TX и 100Base-FX известны также как 100Base-X
- 100Base-T4 - это особая спецификация, разработанная комитетом IEEE 802.3u . Согласно этой спецификации, передача данных осуществляется по четырем витым парам телефонного кабеля, который называют кабелем UTP категории 3. Использует алгоритм кодирования данных 8В/6Т и метод физического кодирования NRZI.
Дополнительно стандарт Fast Ethernet включает рекомендации по использованию кабеля экранированной витой пары категории 1, который является стандартным кабелем, традиционно использующимся в сетях Token Ring. Организация поддержки и рекомендации по использованию кабеля STP в сети Fast Ethernet предоставляют способ перехода на Fast Ethernet для покупателей, имеющих кабельную разводку STP.
Спецификация Fast Ethernet включает также механизм автосогласования, позволяющий порту узла автоматически настраиваться на скорость передачи данных - 10 или 100 Мбит/с. Этот механизм основан на обмене рядом пакетов с портом концентратора или переключателя.
Среда 100Base-TX
В качестве среды передачи 100Base-TX применяются две витые пары, причем одна пара используется для передачи данных, а вторая - для их приема. Поскольку спецификация ANSI TP - PMD содержит описания как экранированных, так и неэкранированных витых пар, то спецификация 100Base-TX включает поддержку как неэкранированных, так и экранированных витых пар типа 1 и 7.
Разъем MDI (Medium Dependent Interface)
Интерфейс канала 100Base-TX, зависящий от среды, может быть одного из двух типов. Для кабеля на неэкранированных витых парах в качестве разъема MDI следует использовать восьмиконтактный разъем RJ 45 категории 5. Этот же разъем применяется и в сети 10Base-T, что обеспечивает обратную совместимость с существующими кабельными разводками категории 5. Для экранированных витых пар в качестве разъема MDI необходимо использовать разъем STP IBM типа 1, который является экранированным разъемом DB9. Такой разъем обычно применяется в сетях Token Ring.
Кабель UTP категории 5(e)
В интерфейсе среды UTP 100Base-TX применяются две пары проводов. Для минимизации перекрестных наводок и возможного искажения сигнала оставшиеся четыре провода не должны использоваться с целью передачи каких-либо сигналов. Сигналы передачи и приема для каждой пары являются поляризованными, причем один провод передает положительный (+), а второй - отрицательный (-) сигнал. Цветовая маркировка проводов кабеля и номера контактов разъема для сети 100Base-TX приведены в табл. 1. Хотя уровень PHY 100Base-TX разрабатывался после принятия стандарта ANSI TP-PMD, однако номера контактов разъема RJ 45 были изменены для согласования со схемой разводки, уже использующейся в стандарте 10Base-T. В стандарте ANSI TP-PMD контакты 7 и 9 применяются для приема данных, в то время как в стандартах 100Base-TX и 10Base-T для этого предназначены контакты 3 и 6. Такая разводка обеспечивает возможность использования адаптеров 100Base-TX вместо адаптеров 10 Base - T и их подключения к тем же кабелям категории 5 без изменений разводки. В разъеме RJ 45 используемые пары проводов подключаются к контактам 1, 2 и 3, 6. Для правильного подключения проводов следует руководствоваться их цветовой маркировкой.
Таблица 1. Назначение контактов разъема MDI кабеля UTP 100Base-TX
Узлы взаимодействуют друг с другом путем обмена кадрами (frames). В Fast Ethernet кадр является базовой единицей обмена по сети - любая информация, передаваемая между узлами, помещается в поле данных одного или нескольких кадров. Пересылка кадров от одного узла к другому возможна лишь при наличии способа однозначной идентификации всех узлов сети. Поэтому каждый узел в ЛВС имеет адрес, который называется его МАС-адресом. Этот адрес уникален: никакие два узла локальной сети не могут иметь один и тот же МАС-адрес. Более того, ни в одной из технологий ЛВС (за исключением ARCNet) никакие два узла в мире не могут иметь одинаковый МАС-адрес. Любой кадр содержит, по крайней мере, три основные порции информации: адрес получателя, адрес отправителя и данные. Некоторые кадры имеют и другие поля, но обязательными являются лишь три перечисленные. На рисунке 4 отражена структура кадра Fast Ethernet.
Рисунок 4. Структура кадра Fast Ethernet
- адрес получателя - указывается адрес узла, получающего данные;
- адрес отправителя - указывается адрес узла, пославшего данные;
- длина/Тип (L/T - Length/Type) - содержится информация о типе передаваемых данных;
- контрольная сумма кадра (PCS - Frame Check Sequence) - предназначена для проверки корректности полученного принимающим узлом кадра.
Минимальный объем кадра составляет 64 октета, или 512 битов (термины октет и байт - синонимы). Максимальный объем кадра равен 1518 октетам, или 12144 битам.
Адресация кадров
Каждый узел в сети Fast Ethernet имеет уникальный номер, который называется МАС-адресом (MAC address) или адресом узла. Этот номер состоит из 48 битов (6 байтов), присваивается сетевому интерфейсу во время изготовления устройства и программируется в процессе инициализации. Поэтому сетевые интерфейсы всех ЛВС, за исключением ARCNet, которая использует 8-битовые адреса, присваиваемые сетевым администратором, имеют встроенный уникальный МАС-адрес, отличающийся от всех остальных МАС-адресов на Земле и присваиваемый производителем по согласованию с IEEE.
Чтобы облегчить процесс управления сетевыми интерфейсами, IEEE было предложено разделить 48-битовое поле адреса на четыре части, как показано на рисунке 5. Первые два бита адреса (биты 0 и 1) являются флажками типа адреса. Значение флажков определяет способ интерпретации адресной части (биты 2 - 47).
Рисунок 5. Формат МАС-адреса
Бит I/G называется флажком индивидуального/группового адреса и показывает, каким (индивидуальным или групповым) является адрес. Индивидуальный адрес присваивается только одному интерфейсу (или узлу) в сети. Адреса, у которых бит I/G установлен в 0 - это МАС-адреса или адреса узла. Если бит I/O установлен в 1, то адрес относится к групповым и обычно называется многопунктовым адресом (multicast address) или функциональным адресом (functional address). Групповой адрес может быть присвоен одному или нескольким сетевым интерфейсам ЛВС. Кадры, посланные по групповому адресу, получают или копируют все обладающие им сетевые интерфейсы ЛВС. Многопунктовые адреса позволяют послать кадр подмножеству узлов локальной сети. Если бит I/O установлен в 1, то биты от 46 до 0 трактуются как многопунктовый адрес, а не как поля U/ L, OUI и OUA обычного адреса. Бит U/L называется флажком универсального/местного управления и определяет, как был присвоен адрес сетевому интерфейсу. Если оба бита, I/O и U/ L, установлены в 0, то адрес является уникальным 48-битовым идентификатором, описанным ранее.
OUI (organizationally unique identifier - организационно уникальный идентификатор). IEEE присваивает один или несколько OUI каждому производителю сетевых адаптеров и интерфейсов. Каждый производитель отвечает за правильность присвоения OUA (organizationally unique address - организационно уникальный адрес), который должно иметь любое созданное им устройство.
При установке бита U/L адрес является локально управляемым. Это означает, что он задается не производителем сетевого интерфейса. Любая организация может создать свой МАС-адрес сетевого интерфейса путем установки бита U/ L в 1, а битов со 2-го по 47-й в какое-нибудь выбранное значение. Сетевой интерфейс, получив кадр, первым делом декодирует адрес получателя. При установлении в адресе бита I/O уровень MAC получит этот кадр лишь в том случае, если адрес получателя находится в списке, который хранится на узле. Этот прием позволяет одному узлу отправить кадр многим узлам.
Существует специальный многопунктовый адрес, называемый широковещательным адресом. В 48-битовом широковещательном IEEE-адресе все биты установлены в 1. Если кадр передается с широковещательным адресом получателя, то все узлы сети получат и обработают его.
Поле Длина/Тип
Поле L/T (Length/Type - Длина/Тип) применяется в двух различных целях:
- для определения длины поля данных кадра, исключая любое дополнение пробелами;
- для обозначения типа данных в поле данных.
Значение поля L/T, находящееся в интервале между 0 и 1500, является длиной поля данных кадра; более высокое значение указывает на тип протокола.
Вообще поле L/T является историческим осадком стандартизации Ethernet в IEEE, породившим ряд проблем с совместимостью оборудования выпущенного до 1983. Сейчас Ethernet и Fast Ethernet никогда не использует поля L/T. Указанное поле служит лишь для согласования с программным обеспечением, обрабатывающим кадры (то есть с протоколами). Но единственным подлинно стандартным предназначением поля L/T является использование его в качестве поля длины - в спецификации 802.3 даже не упоминается о возможном его применении как поля типа данных. Стандарт гласит: "Кадры со значением поля длины, превышающим определенное в пункте 4.4.2, могут быть проигнорированы, отброшены или использованы частным образом. Использование данных кадров выходит за пределы этого стандарта".
Подводя итог сказанному, заметим, что поле L/T является первичным механизмом, по которому определяется тип кадра. Кадры Fast Ethernet и Ethernet, в которых значением поля L/T задается длина (значение L/T 802.3, кадры, в которых значением этого же поля устанавливается тип данных (значение L/T > 1500), называются кадрами Ethernet - II или DIX .
Поле данных
В поле данных содержится информация, которую один узел пересылает другому. В отличие от других полей, хранящих весьма специфические сведения, поле данных может содержать почти любую информацию, лишь бы ее объем составлял не менее 46 и не более 1500 байтов. Как форматируется и интерпретируется содержимое поля данных, определяют протоколы.
Если необходимо переслать данные длиной менее 46 байтов, уровень LLC добавляет в их конец байты с неизвестным значением, называемые незначащими данными (pad data). В результате длина поля становится равной 46 байтам.
Если кадр имеет тип 802.3, то в поле L/T указывается значение объема действительных данных. Например, если пересылается 12-байтовое сообщение, то поле L/T хранит значение 12, а в поле данных находятся и 34 добавочных незначащих байта. Добавление незначащих байтов инициирует уровень LLC Fast Ethernet, и обычно реализуется аппаратно.
Средства уровня MAC не задают содержимое поля L/T - это делает программное обеспечение. Установка значения этого поля почти всегда производится драйвером сетевого интерфейса.
Контрольная сумма кадра
Контрольная сумма кадра (PCS - Frame Check Sequence) позволяет убедиться в том, что полученные кадры не повреждены. При формировании передаваемого кадра на уровне MAC используется специальная математическая формула CRC (Cyclic Redundancy Check - циклический избыточный код), предназначенная для вычисления 32-разрядного значения. Полученное значение помещается в поле FCS кадра. На вход элемента уровня MAC, вычисляющего CRC, подаются значения всех байтов кадра. Поле FCS является первичным и наиболее важным механизмом обнаружения и исправления ошибок в Fast Ethernet. Начиная с первого байта адреса получателя и заканчивая последним байтом поля данных.
Значения полей DSAP и SSAP
Значения DSAP/SSAP | Описание |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Indiv LLC Sublayer Mgt |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Group LLC Sublayer Mgt |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
SNA Path Control |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Reserved (DOD IP) |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
ISO CLNS IS 8473 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Алгоритм кодирования 8В6Т преобразует восьмибитовый октет данных (8B) в шестибитовый тернарный символ (6T). Кодовые группы 6Т предназначены для передачи параллельно по трем витым парам кабеля, поэтому эффективная скорость передачи данных по каждой витой паре составляет одну треть от 100 Мбит/с, то есть 33,33 Мбит/с. Скорость передачи тернарных символов по каждой витой паре составляет 6/8 от 33,3 Мбит/с, что соответствует тактовой частоте 25 МГц. Именно с такой частотой работает таймер интерфейса МП. В отличие от бинарных сигналов, которые имеют два уровня, тернарные сигналы, передаваемые по каждой паре, могут иметь три уровня.
Таблица кодировки символов
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
