Построение компьютерных сетей на базе коммутаторов Ethernet:

 

5.  СТАНДАРТЫ И СПЕЦИФИКАЦИИ СЕТЕЙ ETHERNET

5.1. 10 – МЕГАБИТНЫЙ ETHERNET

 

 

В технологии Ethernet данные могут передаваться по коаксиальному или оптическому кабелю, а также через витую пару. Чаще всего при построении локальных сетей на основе этой технологии оптический кабель используется для формирования магистрали сети, в то время как витая пара применяется для подключения станций и серверов.

Спецификации Ethernet были созданы в то время, когда для быстрой передачи данных требовались коаксиальные кабели. Необходимость перехода на менее дорогие телефонные кабели и попытка смягчить последствия разрыва коаксиального кабеля стали причинами появления спецификации 10Base-T IEEE 802.3. Эта спецификация определяет технологию Ethernet для сетей, построенных на базе неэкранированных витых пар и телефонных кабелей. При этом допускается звездообразная топология.

Ниже  в таблице приведены разновидности и характеристики 10-мегабитного Ethernet.

 

Разновидности и характеристики 10 мегабитного Ethernet

 

	10Base-5	10Base-2	10Base-T	10Base-FL
Разъемы	AUI	BNC	RJ-45	ST
Среда передачи	Толстый коакс. кабель (50 Ом)	Тонкий коакс. кабель (50 Ом)	Витая пара  кат.3 и выше	Оптическое волокно ММ/SM
Физическая топология	Шина	Шина	Звезда, дерево	Звезда, дерево
Логическая топология	Шина	Шина	Шина	Шина
Макс. длина сегмента (м)	500	185	100	MM – 2000, SM – до 100 км

 

5.2. FAST ETHERNET

 

 

По мере роста трафика  многие сегменты Ethernet на 10 Мбит/с стали перегруженными, время реакции серверов и частота возникновения коллизий в таких сегментах значительно возросли, еще более снижая реальную пропускную способность. В ответ на эти требования была разработана технология Fast Ethernet, являющаяся 100-мегабитной версией Ethernet (рис.5.1).

Стандарт Fast Ethernet определяет три модификации для работы с разными видами кабелей: 100Base-TX, 100Base-T4 и 100Base-FX. Модификации 100Base-TX и 100Base-T4 рассчитаны на витую пару, а 100Base-FX был разработан для оптического кабеля.

Стандарт 100Base-TX. Требует применения двух пар неэкранированных или экранированных витых пар. Одна пара служит для передачи, другая - для приема. Этим требованиям отвечают два основных кабельных стандарта: на неэкранированную витую пару категории 5 и экранированную витую пару типа 1 от IBM.

Стандарт 100Base-T4. Имеет менее ограничительные требования к кабелю, так как в нем задействуются все четыре пары восьмижильного кабеля: одна пара для передачи, другая для приема, а оставшиеся две пары работают как на передачу, так и на прием. В результате в стандарте 100Base-T4 и прием, и передача данных могут осуществляться по трем парам. Для реализации сетей 100Base-T4 подойдут кабели с неэкранированной витой парой категорий 3-5 и экранированный кабель типа 1.

Стандарт 100Base-FX. Рассчитан на передачу в дуплексном и полудуплексном режиме по одномодовому и оптическому кабелю. Ориентирован, в основном, на применение в магистрали сети или для организации связи удаленных объектов.

Основная область использования  Fast Ethernet сегодня — это сети рабочих групп и отделов. Ниже на рис. 5.1 показаны в виде дерева разновидности Fast Ethernet.

 

Р и с. 5.1. Разновидности Fast Ethernet

5.3. GIGABIT ETHERNET

Дальнейшим  развитием технологии  Ethernet стал переход на скорость передачи 1000 Мбит/с. Стандарт, носящий общее название 1000Base-X, предполагает использование трех типов среды передачи из применяющихся для реализации физического уровня.

Стандарт 1000Base-SX ориентирован для работы на многомодовом оптоволокне с использованием  лазера с длиной волны 850 нм (S от слова «short» — коротковолновый).

Стандарт 1000Base-LX  работает на одномодовом и многомодовом оптоволокне с использованием лазера с длиной волны 1300 нм (L от слова «long» — длинноволновый.

Стандарт 1000Base-ZX предназначен для работы на одномодовом  оптоволокне с использованием лазера с длиной волны 1550 нм.

Стандарт 1000Base-CX предназначен для работы по короткому кабелю на экранированной витой паре STP (C от слова «copper» — медь).

 Ниже на рис. 5.2. показаны в виде дерева разновидности Gigabit Ehternet.

 

Р и с. 5.2. Разновидности Gigabit  Ethernet

5.4. 10 GIGABIT ETHERNET

 

Gigabit Ethernet уже получил достаточно широкое распространение в качестве магистральной технологии в сетях масштаба города. Однако все чаще возникает необходимость расширения пропускной способности из-за возрастающих объемов трафика.

В июне 2002 г. был принят новый стандарт IEEE 802.3af, описывающий спецификацию 10 Gigabit Ethernet. Основоположником данного решения стал альянс 10 Gigabit Ethernet, в который вошли такие компании, как 3Com, Cisco Systems, Extreme Networks, Intel, Nortel Networks, Sun Microsystems и Worldwide Packets.

Для применения в глобальных сетях  стандарт предусматривает пять  оптических интерфейсов:

• 10GBASE-S – для работы на многомодовом кабеле с диаметром сердцевины 50 мкм. Рабочая длина волны 850 нм. Величина предельного расстояния сегмента– 65 м;
• 10GBASE-LX4 - для   работы   на  многомодовом   кабеле  с диаметром сердцевины 62,5 мкм. Рабочая длина волны 1310 нм. Величина предельного расстояния сегмента – 300 м;
• 10GBASE-LX4 - для работы на одномодовом кабеле с диаметром сердцевины 9,0 мкм. Рабочая длина волны 1310 нм. Величина предельного расстояния сегмента – 10000 м;
• 10GBASE-L - для работы на одномодовом  кабеле  с   диаметром сердцевины 9,0 мкм. Рабочая длина волны 1310 нм. Величина предельного расстояния сегмента – 10000 м;
• 10GBASE-E – для работы на одномодовом кабеле с диаметром сердцевины 9,0 мкм. Рабочая длина волны 1550 нм. Величина предельного расстояния сегмента – 40000 м.

На настоящий момент наиболее ожидаемым является стандартизация 10 Gigabit Ethernet для работы по витой паре. Это позволит удешевить использование портов 10 Gigabit Ethernet в сетях LAN и для серверных приложений.

 

5.5. RADIO ETHERNET

 

 

Большую популярность получил в последнее время  беспроводной доступ к ресурсам Интернет и корпоративных сетей [4].  Этот вид доступа особенно удобен при работе в общественных местах, таких как вокзалы, аэропорты, гостиницы, магазины, больницы, учебные заведения. Достаточно широкое применение получил беспроводный доступ и в структурах малого и среднего бизнеса, например  в арендуемых помещениях, когда необходимо быстро развернуть ЛВС. Беспроводной доступ незаменим для мобильных сотрудников, которые постоянно перемещаются по территории фирмы, при работе в складских помещениях, цехах, ангарах и других местах, где отсутствует возможность или целесообразность подключения к ЛВС при помощи кабеля.

Кроме организации беспроводного  доступа можно строить полноценные беспроводные локальные сети, которые могут применяются для соединений точка-точка или точка-многоточка на расстояниях от нескольких метров до нескольких десятков километров. Этот класс сетей использует для своей работы сантиметровый радио диапазон радиоволн. Большинство современного оборудования для беспроводных сетей соответствует международным стандартам IEEE 802.11b и IEEE 802.11a.

Стандарт IEEE 802.11b предусматривает работу в диапазоне частот 2,4 ГГц. Пропускная  способностью при этом составляет до 11 Мбит/с. Реально, из-за большого объема большого служебного трафика полезная пропускная способность не превышает 5,5 Мбит/с. Частота  2,4 ГГц разрешена для свободного применения в России. Оборудование данного стандарта широко распространено во всём мире.

Стандарт IEEE 802.11а ориентирован на работу в диапазоне частот 5 ГГц и позволяет передавать данные со скоростью до 54 Мбит/с.  Поскольку диапазон частот 5 ГГц закрыт в России для коммерческого использования, сети на базе этого стандарта строят за рубежом.

Стандарт IEEE 802.11g  использует для работы диапазон частот 2,4 ГГц и позволяет передавать  данные со скоростью до 54 Мбит/с.

К достоинствам беспроводных сетей можно отнести:

• гибкость;
• относительную дешевизну;
• отсутствие необходимости прокладки кабеля.

Главным недостатком  является существенно низкая скорость передачи по сравнению с ЛВС, развернутыми с использованием витой пары.

6. ОБОРУДОВААНИЕ ЛВС

6.1. СЕТЕВОЙ АДАПТЕР

 

Сетевой адаптер (СА) совместно со своим драйвером реализует второй канальный уровень модели открытых систем в конечном узле сети – компьютере. Задача СА – прием – передача кадра.

Различают СА для клиентских компьютеров и СА для серверов. В СА для клиентских компьютеров большая часть работы возложена на программное обеспечение компьютера, а именно на драйвер. Это позволяет удешевишь СА, однако при этом  увеличивается нагрузка на центральный процессор компьютера.

Каждый СА имеет уникальный сетевой адрес, который обычно называют MAC адресом, от английского термина Media Access Control. Структура этого адреса была рассмотрена выше.

Для установки в серверах целесообразно использовать более производительные, а, следовательно, и более дорогие СА со встроенными процессорами. Это позволит разгрузить сервер от выполнения рутинных задач приема – передачи кадров, что положительно скажется на выполнении основных задач сервера.

Бурный рост сетей на базе технологии Ethernet  привел к тому, что в одной и той же ЛВС могут быть установлены как новейшие высокоскоростные коммутаторы, так и коммутаторы, выпущенные несколько лет назад и не поддерживающие скорости  100 и 1000 Мбит/с. Поэтому большинство современных адаптеров поддерживают две и даже три скорости передачи 10/100/1000 Мбит/с.  Это свойство называют авточувствительностью. Авточувствительность позволяет подключить компьютер к свободному порту коммутатора не зависимо от того, на какую скорость передачи он рассчитан.

6.2. ПОВТОРИТЕЛИ И КОНЦЕНТРАТОРЫ

 

 

Концентраторы (часто их называют хабами) представляют собой устройства, работающие на физическом уровне модели OSI. Сигнал, поступающий на один из портов концентратора, после усиления и восстановления формы, без какой либо буферизации и логической обработки автоматически транслируется на все другие порты. Из вышесказанного вытекают следующие основные свойства концентратора:

• абсолютная прозрачность для протоколов вышестоящих уровней;
• широковещательный режим работы - передаваемые кадры поступают на все порты концентратора, а следовательно, на все компьютеры, подключенные к концентратору;
• только один компьютер в каждый момент времени может передавать кадр. В случае, если по тем или иным причинам одновременно передают кадры, то возникает конфликт;
• полудуплексный режим работы. Это вытекает из того, что только один компьютер в каждый момент времени может передавать кадр через концентратор;
• топология  сети должна исключать петли;
• все адаптеры компьютеров, подключенные к концентратору, должны работать на одной скорости, как правило, 10 Мбит/с. Заметим, что  концентраторы на скорости 100 Мбит/с большого распространения не получили.

Концентраторы в настоящее  время считаются устаревшим сетевым оборудованием, хотя и продолжают использоваться в небольших ЛВС, построенных 3-5 лет тому назад. Заметим, что при сопоставимом уровне цен пропускная способность сети на коммутаторах в десятки раз превышает аналогичный параметр сети на основе концентраторов.

Пример построения ЛВС  на основе концентраторов приведен на рис.6.1. Обычно в комнате устанавливается один концентратор, к которому подключаются находящиеся в этой комнате компьютеры.

 

 

 

 

Р и с. 6.1 Построение ЛВС на концентраторах

 

6.3. МОСТЫ

 

 

При построении ЛВС на базе концентраторов по мере увеличения количества компьютеров в сети увеличивается вероятность конфликтов, а следовательно, снижается полезная пропускная способность сети. Замечено, что значительная часть трафика обычно замыкается внутри одного и того же подразделения – отдела, бухгалтерии, группы и т.п.

К серьезным  недостаткам рассмотренной  выше схемы на концентраторах относится то, что кадры, поступающие в ЛВС с любого компьютера, поступят также на все другие компьютеры, подключенные  к данной ЛВС, в том числе и компьютеры соседних подразделений, которые к данному информационному обмену не имеют никакого отношения.

Для  увеличения  пропускной способности  ЛВС путем локализации трафика внутри рабочей группы было предложено использовать специальное устройство – мост (bridge). Пример ЛВС, состоящей из двух концентраторов, соединенных между собой мостом,  приведен на рис.6.2.

Обычно мост содержит два порта. На каждом порту  имеется входной буфер, куда записываются поступающие кадры. Мост содержит таблицу коммутации, в которой заносятся МАС-адреса компьютеров, находящихся со стороны того или иного порта моста.