Локальные сети(ЛВС). Спецификации Gigabit Ethernet, 10G, сети Token Ring/IEEE 802.5

Спецификации Gigabit Ethernet, 10G, сети Token Ring/IEEE 802.5

Спецификация IEEE 802.3z определяет набор протоколов физического уровня, которые обеспечивают информационное взаимодействие в локальных сетях IEEE 802.3 со скоростью передачи данных до 1000 Мбит=1 Гигабит в секунду.

Первоначальная редакция спецификации IEEE 802.3z, которая была подготовлена в 1997 году, предусматривала использование трех типов среды передачи данных:

•  Одномодовое оптическое волокно;

•  Многомодовое оптическое волокно 1000 Base SX;

•  Экранированная витая пара (STP 150 Ом).

Протокол физического уровня 1000 Base SX

Таблица 1.6.1.

Протокол физического уровня 1000 Base LX

Таблица 1.6.2.

Спецификация 1000 Base CX предполагает использование в качестве среды передачи данных кабеля типа STP. Обобщенные характеристики технологии 1000 Base LX представлены в таблице:

Протокол физического уровня 1000 Base CX

Таблица 1.6.3.

Особенности технологий 1000 Base X. Повышение скорости передачи данных при переходе к технологиям 1000 Base X привело к необходимости произвести некоторые изменения в протоколах физического и канального уровня. Изменениям подверглись алгоритм линейного кодирования и длина минимального кадра.

Алгоритм линейного кодирования технологий 1000 Base X. Схема модуляции 8В10В является логическим продолжением алгоритма линейного кодирования 4В5В, который был использован в технологиях 100 Base T(X). При использовании алгоритма линейного кодирования 8В10В максимальное число кодировок, которые предназначены для передачи данных (256) в четыре раза меньше, чем общее число возможных кодировок. Наличие такого запаса позволяет выбрать информационные кодировки таким образом, чтобы обеспечить возможность взаимной синхронизации генераторов и, кроме того, обеспечить выполнение некоторых дополнительных условий, которые являются специфическими для используемой среды передачи данных.

Для того, чтобы увеличить размер коллизионного домена в 1000 Base X, размер минимального кадра был увеличен до 4096 бит. Это было достигнуто путем добавления поля расширения после контрольной суммы.

Спецификация IEEE 802.3ab была предложена в 1999 году для того, чтобы обеспечить передачу данных со скоростью 1000 Мбит/сек по кабелю UTP 5 категории и при этом увеличить максимальную длину сегмента сети до 100 м.

При подготовке спецификации был использован ряд решений, которые нашли применение в предыдущих разработках IEEE 802.3:

•  Для передачи данных используется все 4 пары кабеля UTP- так же, как и в технологии 100 Base T4;

•  Для формирования линейного кода используется многоуровневая амплитудная модуляция - так же, как и в технологиях 100 Base T4 и 100 Base T2.

Протокол физического уровня 1000 Base T. Эти четыре пары кабеля UTP категории 5 образуют канал, по которому со скоростью 1000 Мбит в секунду данные могут передаваться в обоих направлениях. Поскольку максимальная допустимая скорость передачи данных по кабелю UTP категории 5 составляет не более 125 МГц, канал 1000 Base T должен обеспечивать передачу 8 бит данных в каждый период изменения сигнала (8 нс).

Для формирования линейного кода в технологии 1000 Base T используется метод, который называется 4D-PAM – 5 четырехмерная амплитудная модуляция с использованием 5 – уровневых символов. Число измерений соответствует количеству пар, которые используются для передачи данных, размерность N каждого символа должна удовлетворять соотношению:

N 4 > 256

Минимальным значением N, которое обеспечивает выполнение этого соотношения, является 5 (5 4 = 625). Использование служебных кодировок фактически снимает необходимость в дополнительном служебном поле кадра - преамбуле, поскольку функция обеспечения взаимной синхронизации тактовых генераторов возлагается на поток типа Idle. Кроме этого, наличие дополнительных незанятых кодировок позволяет использовать современные методы кодирования, которые обеспечивают обнаружение ошибок возникающих при передаче данных.

Рис 1.6.1. Возможные переходы состояний PAM-5 модулированных сигналов для двух соседних тактов 1000 Base T. Значения по оси Х представлены в наносекундах, по оси Y – в долях вольта.

Использование одновременного приема и передачи данных по всем парам в кабеле UTP приводит к возникновению дополнительных источников помех, которыми в данном случае являются:

•  Отраженный от несогласованного окончания передаваемый сигнал (ECHO);

•  Сигналы, которые передаются по параллельным каналам (NEXT).

Для обеспечения возможности восстановления кода, который был искажен в процессе передачи, в технологии 1000BaseT используются методы конволюционного кодирования и декодирования (Trellis Code, Viterbi Decoder). При использовании таких методов кодирования значение формируемого кода зависит не только от предаваемого символа, но и от одного, или нескольких символов, которые были сформированы и переданы перед ним. Таким образом, после получения неверной кодировки, приемник может не только распознать наличие ошибки, но и попытаться восстановить правильный код, используя для этого значения уже принятых кодировок.

Для того, чтобы все компенсирующие процедуры и компоненты работали нормально, особенно важно наличие взаимной синхронизации между тактовыми генераторами взаимодействующих компонентов сети 1000 Base T. Причем в данном случае синхронизация должна быть абсолютной и односторонней – источником синхронизирующих импульсов является только один компонент, который использует свои импульсы для синхронизации передаваемого и принимаемого потоков в терминологии 1000 Base T, этот компонент называется MASTER. Второй компонент, который называется SLAVE, использует внешние импульсы, которые он восстанавливает из принимаемого сигнала для синхронизации своего передаваемого сигнала.

Обобщенные характеристики технологии 1000 Base T

Рис 1.6.4.

Спецификация IEEE 802.3ae 10 Gigabit Ethernet. В последние годы в телекоммуникационной промышленности сложилась тенденция роста скорости передачи данных в сетях 802.3. Каждые 3 года скорость возрастает в 10 раз. Последнее на настоящий момент увеличение скорости отмечено появлением предварительного варианта спецификации, которая имеет название 10 Gigabit Ethernet и обеспечивает передачу данных со скоростью 10 Гигабит/сек. Разработка материалов этой спецификации ведется комитетом IEEE802.3ae. В таблице приведены размеры максимальных длин сегментов, которые соответствуют используемым типам волокна и излучателей.

Таблица 1.6.5.

По замыслу авторов, наиболее целесообразным являлось использование технологии 10 Gigabit Ethernet для объединения локальных сетей офисов, которые расположены на расстоянии до 30 километров друг от друга. В соответствии со сделанными расчетами, использование в этом случае других технологий оказывается менее экономичным. Объединение локальных сетей удаленных офисов с использованием 10 Gigabit Ethernet может быть реализовано двумя способами:

•  Темное волокно (Dark Fiber);

•  Технология оптического мультиплексирования (DWDM).

Отличие этих двух способов заключается в том, что в первом случае оптическое волокно используется для подключения офисов по принципу точка–точка. Поэтому для образования структуры, которая обеспечивает связь каждого компонента с каждым, потребуется дополнительные линии и дополнительные порты.

Использование технологии оптического мультиплексирования DWDM (Dense Wave Division Multiplexing) позволяет существенно уменьшить затраты на построение структуры каждый–с каждым. В данном случае удаленные офисы подключаются к кольцу (оптическое облако), по которому передается одновременно несколько информационных потоков. Один из этих кольцевых информационных потоков используется для организации виртуального информационного канала между подразделениями.

В истории развития технологии Token Ring/IEEE 802.5 много общего с историей возникновения Ethernet. Начало технологии Token Ring/IEEE 802.5 было положено частной компанией - в данном случае это была компания IBM. Для обеспечения дальнейшего развития и промышленного использования данной технологии в IEEE был создан специальный комитет, который получил название 802.5.

В основу сети Token Ring/IEEE 802.5(TR) положен принцип маркера – (token). В сети TR передачу может начать только одна станция. Для того, чтобы обеспечить этот принцип, по сети TR, которая логически организована по принципу «кольцо» циклически передается специальный пакет – маркер. Станция, которая получила маркер и имеет информацию для передачи, преобразует маркер в информационный пакет и отправляет его в сеть. Если станция, которая приняла маркер, не имеет информации для передачи, она просто транслирует маркер дальше по сети. Станция – получатель принимает информацию и отправляет кадр далее посети. Когда переданный пакет возвращается передающей станции, она отделяет информацию от маркера, после чего движение маркера по сети возобновляется до момента следующей передачи.

Сети Token Ring/IEEE 802.5 построены по схеме «звезда» на физическом уровне. Логически компоненты сети TR объединены в кольцо. Все станции всети подключаются к специальным устройствам, которые называются multistation access unit(MSAU).

Важным положительным качеством сети TR является то, что она обеспечивает возможность использования системы приоритетов, которая позволяет отдельным станциям передавать данные чаще, чем другим. Для обеспечения этого режима в маркере размещается специальное поле, которое содержит информацию о текущем приоритете.

Рис. 1.6.2. Схема построения сети Token Ring/IEEE 802.5

В сети TR применяются несколько механизмов для того, чтобы обеспечить локализацию и устранения возникающих неисправностей. Одним из таких механизмов является функция активного монитора. Если активный монитор обнаруживает циркулирующий кадр, он должен уничтожить этот кадр и сформировать новый маркер.

В качестве другого механизма обнаружения неисправностей может быть использована функция обнаружения неисправной станции. Эта функция выполняется устройством MSAU и позволяет исключить из кольца станции, которые не могут нормально функционировать.

В сети TR используются два типа кадров: информационные кадры, которые используются для выполнения информационного обмена между компонентами сети и управляющие кадры, которые предназначены для обеспечения этого обмена.

Структура информационного кадра TR

Таблица 1.6.6.

Минимальная длина структура информационного кадра в сети TR не определена, поскольку в сетях маркерного типа возникновение коллизий невозможно. Максимальная длина кадра TR может превышать аналогичный параметр кадра Ethernet.

Поле Start Delimiter. Кодировка, которая размешается в данном поле, должна обеспечить однозначное распознавание поступление на вход станции информационного или управляющего кадра TR.

Поле Access Control указывает на уровень приоритета, соответствующего данному информационному или управляющему кадру. В этом поле размещается также monitor bit, который используется активным монитором для выявления циркулирующих кадров. В этом поле размещается признак маркера - token bit, который позволяет отличать маркерные кадры от информационных или управляющих кадров.

Поле Frame Control содержит признак типа кадра - информационный или управляющий. В данном поле управляющего кадра размещается конкретное значение, которое определяет тип управляющего кадра.

Поле End Delimiter. Кодировка, которая размещается в данном поле, указывает на завершение передаваемого кадра. В этом поле также размещаются признак нарушения информационной структуры кадра и порядковый номер кадра в логической последовательности.

Структура кадра Token

Таблица 1.6.7.

Кадры данного типа выполняют служебные функции в сети TR и обеспечивают поддержание установленной дисциплины информационного обмена. Кадр Token представляет собой обычный информационный кадр, который не содержит поле передаваемых данных и поэтому имеет длину 3 байта.

Характеристики сетей Token Ring/IEEE 802.5

Таблица 1.6.8.