Московский физико-технический институт
Опубликован: 07.08.2007 | Доступ: свободный | Студентов: 4642 / 577 | Оценка: 4.28 / 3.93 | Длительность: 45:30:00
ISBN: 978-5-94774-706-5
Лекция 16:

Сети Ethernet

16.4. Гигабитный Ethernet

В 1998 году в качестве стандарта утвержден гигабайтный Ethernet (IEEE 802.3z); 1000BASE-FX; FTP:/stdsbbs.ieee.org/pub, см. также http://www.gigabit-rethernet.org/technology/faq.html). Эти сети ориентированы на применение 4 скрученных пар категории 5 (до 100 м) и оптоволоконных кабелей. Используется кодировка сигналов на физическом уровне 8В/10B. Эта нотация означает, что каждый байт кодируется при передаче десятью битами. При этом не должно быть более 4 идентичных бит подряд и ни в одном коде не должно быть более 6 нулей или 6 единиц. Так достигаются хорошие условия синхронизации и высокая стабильность постоянной составляющей. В рассматриваемом варианте по каждой паре передаются сигналы с частотой 125 МГц, и за каждый такт транспортируется два бита. Сетевые интерфейсы используют шину PCI. В этом стандарте могут применяться полнодуплексные повторители ( FRD ). Эти повторители, в отличие от традиционных, имеют встроенные буферы на каждом из портов. Схема передачи предполагает карусельный способ доступа портов к шине повторителя. Но в этом приборе, в отличие от коммутатора, нет анализа адреса места назначения, и пакет передается всем портам устройства.

Блок-схема сетевого интерфейса GE и 10GE показана на рис. 16.26 (работа через скрученную пару). Поскольку в локальной сети могут присутствовать сегменты как FE, так и GE, возможны переполнения буферов в переключателях и потери кадров. Перекладывание подавления перегрузки на уровень L3 или L4 в данном случае особенно накладно.

Для решения проблемы перегрузки в GE и 10GE одна из сторон посылает служебный кадр, сообщающий о том, что другая сторона на некоторое время должна прервать передачу. В поле тип такого кадра заносится код 0x8808, а первые два байта поля данных являются управляющими, последующие октеты могут содержать параметры команды. Для управления используются кадры типа PAUSE, в качестве параметра может быть указана длительность паузы в единицах времени передачи кадра минимальной длины.

Для GE такая единица равна 512 нс. Максимальная длительность паузы равна 33,6 мс. Хотя использование концентраторов не запрещено, оно крайне нежелательно, так как приводит к понижению эффективности использования сети ( таблица 16.7.).

Таблица 16.7. Соединительные кабели для GE
Тип сети Вид кабеля Длина Особенности
1000Base-SX Оптоволокно 550м Многомодовое
1000Base-LX Оптоволокно 5000м Одно- или многомодовое
1000Base-СX 2 экранир. пары 25м Экранированная витая пара
1000Base-Т 4 экранир. пары 100м Витые пары 5-й категории

Новые Ethernet-протоколы 1000BASE-T и 10GBASE-T требуют применения скрученных пар существенно более высокого качества (с большей полосой пропускания, с низкими уровнями NEXT и FEXT). Передача в этом случае производится по четырем скрученным парам одновременно (см. ieee802.3/10GBT). Предполагается, что эта технология станет стандартной в первой половине 2006 года и будет частью спецификации IEEE 803.3ae. Требования к кабелю определяются документом ISO/IEC-11801:2002 для классов D или выше. Анализ распределения используемых длин показывает, что наиболее часто используются кабели длиной 40 м, а с вероятностью более 90% длина кабеля не превышает 80 м. Кабели классов D-F имеют полосу пропускания 250-625 МГц.

Блок-схема сетевой карты для работы с GE и 10GE

Рис. 16.26. Блок-схема сетевой карты для работы с GE и 10GE

Из рисунка видно, что цифровая обработка сигналов стала основой работы такого устройства. Для кабелей класса F (категория 7) максимальная длина составляет 100 м, для класса Е (категория 6) — от 55 до 100 м, а для класса D (категория 5е) — 20-60м. При этом ожидается уровень BER не хуже 10-12. Скрученные пары предлагаются в качестве дешевого решения, при больших длинах оптическое волокно остается вне конкуренции. Ниже в таблице приводится сравнение режимов работы приемо-передатчиков в 1000BASE-T и 10GBASE-T ( таблица 16.8.).

Таблица 16.8.
1000BASE-T 10GBASE-T
5-уровневая амплитудно-импульсная модуляция (2 бита на символ) 10-уровневая амплитудно-импульсная модуляция (3 бита на символ)
4D код Треллиса на пару (8 состояний) 4D код Треллиса на пару (8 состояний)
Полный дуплекс с эхоподавлением при передаче Полный дуплекс с эхоподавлением при передаче
125 Мбод, ~80MГц используемой полосы 833 Мбод, ~450МГц используемой полосы
Подавления FEXT нет Необходимо подавление FEXT

Всякая, даже гигантская сеть была когда-то маленькой. Обычно сеть начинается с одного сегмента. Когда ресурсы одного сегмента или концентратора (повторители для скрученных пар) исчерпаны, добавляется повторитель или переключатель. Так продолжается до тех пор, пока ресурсы удлинения сегментов и каналы концентраторов не закончатся. Если при построении сети длина кабельных сегментов и их качество не контролировалось, возможен и худший сценарий — резкое увеличение числа столкновений или вообще самопроизвольное отключение от сети некоторых ЭВМ. Когда это произошло, администратор сети должен понять, что время дешевого развития сети прошло: надо думать о приобретении сетевых переключателей, маршрутизаторов, а возможно, и диагностического оборудования. Применение этих устройств может решить и проблему загрузки некоторых сегментов, ведь в пределах одного логического сегмента потоки, создаваемые каждым сервером или обычной ЭВМ, суммируются. Не исключено, что именно в этот момент сетевой администратор заметит, что топология сети неудачна и ее нужно изменить. Чтобы этого не произошло, рекомендуется с самого начала тщательно документировать все элементы (кабельные сегменты, интерфейсы, повторители и пр.). Сегодня я бы рекомендовал внедрять переключатели уже на раннем периоде эволюции сети.

Хорошо, если уже на первом этапе вы представляете конечную цель и те возможности, которыми располагаете. Бухгалтерская сеть и сеть, ориентированная на выход в Интернет, будут иметь разные структуры. Прокладывая кабели, рекомендуется учитывать, что расположение ЭВМ время от времени меняется и это не должно приводить к изменению длины сегмента или к появлению дополнительных "сросток" кабелей. Если сеть уже создана, научитесь измерять информационные потоки в сегментах и внешние потоки (если ваша сеть соединена с другими сетями, например с Интернет), это позволит осмысленно намечать пути дальнейшей эволюции сети, а в случае аренды оценить величину трафика. Сетевая архитектура требует немалых знаний, и это дело лучше поручить профессионалам.

Когда потоки данных в сети достигают уровня, при котором использование сетевых переключателей уже недостаточно, можно подумать о внедрении маршрутизаторов либо оптоволоконных сегментов FE (100 Мбит/с), GE или даже 10GE Ethernet. Эти субсети будут играть роль магистралей, по которым идет основной поток данных, ответвляясь в нужных местах в субсети, построенные по традиционной технологии. Если в вашей сети имеются серверы общего пользования, их рекомендуется подключить к быстродействующим сегментам.

Особую проблему составляют переходы 100 Мбит/с \to 10 Мбит/с (или FE - GE ) (см. рис. 16.27). Дело в том, что на MAC-уровне нет механизмов понижения скорости передачи для согласования возможностей отправителя и приемника (для сетей со скоростью <1 Гбит/c). Такие возможности существуют только на IP-уровне (ICMP-quench или алгоритм медленного старта в TCP). Если функцию шлюза исполняет, например, переключатель, то исключить переполнение его буфера невозможно. Такое переполнение неизбежно приведет к потере пакетов, повторным передачам и, как следствие, к потере эффективной пропускной способности канала. Решить проблему может применение в качестве шлюза маршрутизатора (здесь может работать ICMP-механизм "обратного давления").

Схема переходов 10-100-10 Мбит/с

Рис. 16.27. Схема переходов 10-100-10 Мбит/с

Если любые 2 или более каналов справа попытаются начать работу с одним из каналов слева или наоборот, потери пакетов неизбежны. Потерь не будет, если объединения потоков нет, например, i-канал справа осуществляет обмен с i-каналом слева.

16.5. 10-гигабитный Ethernet

Хотя Ethernet на 1 Гбит/с и не использовал все свои возможности, реализован уже 10-гигабитный Ethernet ( IEEE 802.3ae, 10GBase-LW или 10GBase-ER ). Этот стандарт утвержден в июне 2002 года и в случае применения для построения региональных каналов соответствует спецификациям OC-192c/SDH VC-4-46c (WAN). В 2002 году опробован канал длиной 200 км с 10 сегментами. Существует серийное сетевое оборудование, обеспечивающее надежную передачу на скорости 10 Гбит/с при длине одномодового кабеля 10 км ( \lambda = 1310 нм). Эти данные взяты из журнала "LANline" (http://www.lanline.de) № 7, Juli 2002. При работе с оптическими волокнами могут применяться лазеры с вертикальными резонаторами и поверхностным излучением VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser). В случае мультимодовых вариантов используются волокна с радиальным градиентом коэффициента преломления. В протоколе 10 Гбит/c Ethernet предусмотрен интерфейс chip-to-chip (802.3ae-XAUI — буквы ае означают здесь Ethernet Alliance — http://www.10gea.org).

Такие каналы могут использоваться и в LAN для соединения переключателей сетевых кластеров. Соединение организуется по схеме "точка-точка". Эта технология удобна для использования в фермах ЭВМ. Стандартизованы порты: 10Gbase-LR (до 10 км по одномодовому волокну — для высокопроизводительных магистральных и корпоративных каналов), 10Gbase-ER (до 40 км по одномодовому волокну), 10Gbase-SR (до 28 м по мультимодовому волокну — для соединений переключателей друг с другом), а также 10Gbase-LХ4 (до 300 м по мультимодовому волокну стандарта FDDI — для сетей в пределах одного здания). Обсуждается возможность построения 100Гбит/c Ethernet. В 10Gbase для локальных сетей применяется кодирование 64В/66B (вместо 8В/10B, используемого в обычном гигабитном Ethernet), так как старая схема дает 25% увеличение паразитного трафика. Следует обратить внимание, что такое решение делает непригодными существующие оптоволоконные технологии SDH/SONET. К концу 2002 года технология 10Гбит-Ethernet вторглась в область региональных (MAN; см. форум Metro-Ethernet и EFM Task Force) и даже межрегиональных (WAN) сетей, тесня SDH, Fibre Channel, OC-192, PCI Express и InfiniBand.

В версии 10Gbase-X4 формируется 4 потока по 3,125 Гбит/с, которые передаются по одному волокну (1310 нм) с привлечением техники мультиплексирования длин волн ( WWDM ). В случае 10Gbase-W на уровне МАС вводится большая минимальная длина IPG. Схема уровней для 10Gbase Ethernet показана на рис. 16.28.

  • MDI Medium Dependent Interface (интерфейс, независимый от среды)
  • XGMII 10 Gigabit Media Independent Interface (10-гигабитныйинтерфейс, независимый от среды)
  • PCS Physical Coding Sublayer (подуровень физического кодирования)
  • PMA Physical Medium Attachment (подключение к физической среде)
  • PMD Physical Medium Dependent
  • WIS WAN Interface Sublayer (подуровень интерфейса межрегиональной сети).
Схема уровней для 10Gbase Ethernet

Рис. 16.28. Схема уровней для 10Gbase Ethernet

Классификация категорий оптических волокон для сетевых приложений ( таблица 16.9.).

  1. Представлены значения для волокон с диаметрами 62.5/125 и 50/125 mu (MMF). Там, где значения отличаются, в скобках дается величина для 50 мкм.
  2. Приложение в настоящее время промышленностью не поддерживается.
  3. Приложение в настоящее время не поддерживается разрабатывавшей его группой.
  4. Приложение в стадии разработки.
  5. Приложение с ограниченной полосой пропускания для указанных длин канала. Использование для каналов с более высокими требованиями в случае применения компонентов с меньшим ослаблением не рекомендуется.
  6. Длина канала может быть ограничена для волокон с диаметром 50 мкм.
  7. Длина канала для одномодового волокна может быть больше, но это находится вне пределов регламентаций стандарта.
Таблица 16.9. Классификация категорий оптических волокон для сетевых приложений (данные взяты из журнала "LANline Special" за июль-август 2002 года; www.lanline.de). Согласно принятым сокращениям, буквы в конце обозначения канала (например 10Gbase-LX) характеризуют оптическое волокно[E — Extended (для WAN или MAN, длина волны 1550 нм), L — Long (для расстояний <10 км при длине волны 1310 нм, возможен вариант с многомодовым волокном длиной до 300 м и привлечением техники WWDM) и S — Short (для расстояний менее 35 м при длине волны 850 нм; для волокон с 160 МГц*км длина <28 м, а для 200 МГц*км < 35 м)] и тип кодирования (R, W или X).
Тип сети Потери ввода (дБ) Канал ISO/IEC 11801на основе
Многомод Одномодa Волокна ОМ1 Волокна ОМ2 Волокна ОМ3 Волокно ОS1
850 нм 1300 нм 1300 нм 850 нм 1300 нм 850 нм 1300 нм 850 нм 1300 нм 1300 нм 1500 нм
ISO/IEC 8802-3: 10Base-FL, FPb & FBf 12,5(6,8) - - OF-2000 OF-2000 OF-2000
ISO/IEC TR 11802-4: 4 & 16 Мбит/c, Token Ringf 13,0(8,0) - - OF-2000 OF-2000 OF-2000
ATM @ 52 Мбит/cg NA 10,0(5,3) 10.0 OF-2000 OF-2000 OF-2000 OF-2000
ATM @ 155 Мбит/cg 7,2 10,0(5,3) 7.0 OF-500 OF-2000 OF-500 OF-2000 OF-500 OF-2000 OF-2000
ATM @ 622 Мбит/ce,f,g 4.0 6,0(2,0) 7,0 OF-300 OF-500 OF-300 OF-500 OF-300 OF-500 OF-2000
ISO/IEC 14165-111: Fibre Channel (FC-PH)@ 133 Мбит/cc,f NA 6,0 OF-2000 OF-2000 OF-2000
ISO/IEC 14165-111: Fibre Channel (FC-PH)@ 266 Мбит/cc,g 12.0 6,0(5.5) 6.0 OF-2000 OF-2000 OF-2000 OF-2000 OF-2000 OF-2000 OF-2000
ISO/IEC 14165-111: Fibre Channel (FC-PH)@ 531 Мбит/cc,g 8.0 - 14.0 OF-500 OF-500 OF-500 OF-2000
ISO/IEC 14165-111: Fibre Channel (FC-PH)@ 1062 Мбит/ce,g 4.0 - 6.0 OF-300 OF-500 OF-500 OF-2000
ISO/IEC 8802-3: 1000Base-SXe 2.6(3.56) - - OF-500 OF-500
ISO/IEC 8802-3: 1000Base-LXe,g - 2.35 4.56 OF-500 OF-500 OF-500 OF-2000
ISO/IEC 9314-9: FDDI LCFPMDb,f - 7.0(2.0) - OF-500 OF-500 OF-500
ISO/IEC 9314-3: FDDI PMDf - 11.0(6.0) - OF-2000 OF-2000 OF-2000
ISO/IEC 9314-3: FDDI SMFPMDg - - 10.0 OF-2000
ISO/IEC 8802-3: 100BASE-FXf 11.0(6.0) - OF-2000 OF-2000 OF-2000
IEEE 802.3: 10GBASE-LX4d 2.0 6.2 OF-300 OF-300 OF-300 OF-2000
IEEE 802.3: 10GBASE-ER/EWd OF-2000
IEEE 802.3: 10GBASE-SR/SWd 1.6(62.5)

1.8(OM-2)

2.6(OM-3)

- - OF-300
IEEE 802.3: 10GBASE-LR/LWd,g - - 6.2 OF-2000

Максимальные длины каналов с мультимодовыми волокнами ( таблица 16.10.).

  1. Максимальное ослабление на км (850/130 нм): 3,5/1,5 дБ/км; минимальная полоса пропускания для длин волн (850/130 нм): 500М Гц · км.
  2. Максимальное ослабление на км (850/130 нм): 3,5/1,5 дБ/км; минимальная полоса пропускания для длин волн (850/130 нм): 200МГц · км / 500 МГц · км
  3. Эти приложения ограничены по полосе. Использование компонентов с меньшим поглощением для получения каналов с улучшенными параметрами не рекомендуется.
Таблица 16.10. Максимальные длины каналов с мультимодовыми волокнами
Сетевое приложение Номинальная длина волны [нм] Максимальная длина канала в м
Волокно 50 мкмa Волокно 62,5 мкмb
ISO/IEC 8802-3: FOIRL 850 514 1000
ISO/IEC 8802-3: 10BASE-FL&FB 850 1514 2000
ISO/IEC TR 11802-4: 4 &16Мбит/c Token Ring 850 1857 2000
ATM @ 155 Мбит/c 850 1000a 1000b
ATM @ 622 Мбит/c 850 300a 300b
ISO/IEC 14165-111: Fibre Channel (FC-PH) @ 266 Мбит/c 850 2000 700
ISO/IEC 14165-111: Fibre Channel (FC-PH) @ 531 Мбит/c 850 1000 350
ISO/IEC 14165-111: Fibre Channel (FC-PH) @ 1062 Мбит/cc 850 500a 350b
IEEE 802.3: 1000BASE-SX 850 550a 275b
ISO/IEC 9314-9: FDDI LCFPMD 1300 500 500
ISO/IEC 9314-3: FDDI PMD 1300 2000 2000
ISO/IEC 8802-3: 100BASE-FX 1300 2000 2000
IEEE 802.5t: 100 Мбит/c Token Ring 1300 2000 2000
ATM @ 52 Мбит/c 1300 2000 2000
ATM @ 155 Мбит/c 1000 2000 2000
ATM @ 622 Мбит/c 1300 330 500
ISO/IEC 14165-111: Fibre Channel (FC-PH) @ 133 Мбит/c 1300 Не поддерживается 1500
ISO/IEC 14165-111: Fibre Channel (FC-PH) @ 266 Мбит/c 1300 2000 1500
IEEE 802.3: 1000BASE-LXc 1300 550a 550b
Виталий Гордиевских
Виталий Гордиевских

Здравстивуйте, диплом о профессиональной переподготовке по программе "Сетевые технологии" дает право на ведение профессиональной деятельности в какой сфере? Что будет написано в дипломе? (В образце просто ничего неуказано)

Напимер мне нужно чтоб он подходил для направления 09.03.01 Информатика и вычислительная техника

Андрей Осипов
Андрей Осипов

Здравствуйте! Хотелось бы прояснить следующий вопрос: у МТИ приостановлена государственная аккредитация и когда будет восстановлена- неизвестно, а в диплом о профпереподготовке выдается на базе МТИ (как я понял). Как будет обстоять дело с получением диплома?

Вопрос важный и актуальный, потому что необходимо срочно пройти обучение и получить диплом и не хотелось бы тратить время и платить деньги зря (если диплом окажется недействительным и т.п.). Разъясните, пожалуйста, подробнее ситуацию.

Анатолий Федоров
Анатолий Федоров
Россия, Москва, Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова, 1989
Юрий Мироненко
Юрий Мироненко
Украина, Бровары