Адаптеры Ethernet и Fast Ethernet
Характеристики адаптеров
Сетевые адаптеры(NIC, Network Interface Card) Ethernet и Fast Ethernet могут сопрягаться с компьютером через один из стандартных интерфейсов:
- шина ISA ( Industry Standard Architecture);
- шина PCI ( Peripheral Component Interconnect);
- шина PC Card (она же PCMCIA );
Адаптеры , рассчитанные на системную шину (магистраль) ISA, еще не так давно были основным типом адаптеров . Количество компаний, выпускавших такие адаптеры , было велико, именно поэтому устройства данного типа были самыми дешевыми. Адаптеры для ISA выпускаются 8- и 16-разрядными. 8-разрядные адаптеры дешевле, а 16-разрядные – быстрее. Правда, обмен информацией по шине ISA не может быть слишком быстрым (в пределе – 16 Мбайт/с, реально – не более 8 Мбайт/с, а для 8-разрядных адаптеров – до 2 Мбайт/с). Поэтому адаптеры Fast Ethernet, требующие для эффективной работы больших скоростей обмена, для этой системной шины практически не выпускаются. Шина ISA уходит в прошлое.
Шина PCI сейчас практически вытеснила шину ISA и становится основной шиной расширения для компьютеров. Она обеспечивает обмен 32- и 64-разрядными данными и отличается высокой пропускной способностью (теоретически до 264 Мбайт/с), что вполне удовлетворяет требованиям не только Fast Ethernet, но и более быстрой Gigabit Ethernet. Важно еще и то, что шина PCI применяется не только в компьютерах IBM PC, но и в компьютерах PowerMac. Кроме того, она поддерживает режим автоматического конфигурирования оборудования Plug-and-Play. Видимо, в ближайшем будущем на шину PCI будет ориентировано большинство сетевых адаптеров . Недостаток PCI по сравнению с шиной ISA в том, что количество ее слотов расширения в компьютере, как правило, невелико (обычно 3 слота). Но именно сетевые адаптеры подключаются к PCI в первую очередь.
Шина PC Card (старое название PCMCIA ) применяется пока только в портативных компьютерах класса Notebook . В этих компьютерах внутренняя шина PCI обычно не выводится наружу. Интерфейс PC Card предусматривает простое подключение к компьютеру миниатюрных плат расширения, причем скорость обмена с этими платами достаточно высока. Однако все больше портативных компьютеров оснащается встроенными сетевыми адаптерами , так как возможность доступа к сети становится неотъемлемой частью стандартного набора функций. Эти встроенные адаптеры опять же подключены к внутренней шине PCI компьютера.
При выборе сетевого адаптера , ориентированного на ту или иную шину, необходимо, прежде всего, убедиться, что свободные слоты расширения данной шины есть в компьютере, включаемом в сеть. Следует также оценить трудоемкость установки приобретаемого адаптера и перспективы выпуска плат данного типа. Последнее может понадобиться в случае выхода адаптера из строя.
Наконец, встречаются еще сетевые адаптеры , подключающиеся к компьютеру через параллельный (принтерный) порт LPT . Главное достоинство такого подхода состоит в том, что для подключения адаптеров не нужно вскрывать корпус компьютера. Кроме того, в данном случае адаптеры не занимают системных ресурсов компьютера, таких как каналы прерываний и ПДП , а также адреса памяти и устройств ввода/вывода. Однако скорость обмена информацией между ними и компьютером в этом случае значительно ниже, чем при использовании системной шины. К тому же они требуют больше процессорного времени на обмен с сетью, замедляя тем самым работу компьютера.
В последнее время все больше встречается компьютеров, в которых сетевые адаптеры встроены в системную плату. Достоинства такого подхода очевидны: пользователь не должен покупать сетевой адаптер и устанавливать его в компьютер. Достаточно только подключить сетевой кабель к внешнему разъему компьютера. Однако недостаток состоит в том, что пользователь не может выбрать адаптер с лучшими характеристиками.
К другим важнейшим характеристикам сетевых адаптеров можно отнести:
- способ конфигурирования адаптера ;
- размер установленной на плате буферной памяти и режимы обмена с ней;
- возможность установки на плату микросхемы постоянной памяти для удаленной загрузки ( BootROM ).
- возможность подключения адаптера к разным типам среды передачи (витая пара, тонкий и толстый коаксиальный кабель, оптоволоконный кабель );
- используемая адаптером скорость передачи по сети и наличие функции ее переключения;
- возможность применения адаптером полнодуплексного режима обмена;
- совместимость адаптера (точнее, драйвера адаптера ) с используемыми сетевыми программными средствами.
Конфигурирование адаптера пользователем применялось в основном для адаптеров , рассчитанных на шину ISA . Конфигурирование подразумевает настройку на использование системных ресурсов компьютера (адресов ввода/вывода, каналов прерываний и прямого доступа к памяти, адресов буферной памяти и памяти удаленной загрузки). Конфигурирование может осуществляться путем установки в нужное положение переключателей (джамперов) или с помощью прилагаемой к адаптеру DOS-программы конфигурирования ( Jumperless , Software configuration). При запуске такой программы пользователю предлагается установить конфигурацию аппаратуры при помощи простого меню: выбрать параметры адаптера . Эта же программа позволяет произвести самотестирование адаптера . Выбранные параметры хранятся в энергонезависимой памяти адаптера . В любом случае при выборе параметров необходимо избегать конфликтов с системными устройствами компьютера и с другими платами расширения.
Конфигурирование адаптера может выполняться и автоматически в режиме Plug-and-Play при включении питания компьютера. Современные адаптеры обычно поддерживают именно этот режим, поэтому их легко может установить пользователь.
В простейших адаптерах обмен с внутренней буферной памятью адаптера (Adapter RAM) осуществляется через адресное пространство устройств ввода/вывода. В этом случае никакого дополнительного конфигурирования адресов памяти не требуется. Базовый адрес буферной памяти, работающей в режиме разделяемой памяти, необходимо задавать. Он приписывается к области верхней памяти компьютера (
Ethernet, не смотря
на весь его успех, никогда не был элегантным.
Сетевые платы имеют только рудиментарные
понятие об интеллекте. Они действительно
сначала посылают пакет, а только затем
смотрят, передавал ли данные кто-либо еще
одновременно с ними. Кто-то сравнил Ethernet с
обществом, в котором люди могут общаться
друг с другом, только когда все кричат
одновременно.
Как и его
предшественник, Fast Ethernet использует метод
передачи данных CSMACD (Carrier Sense Multiple Access with
Collision Detection - Множественный доступ к среде с
контролем несущей и обнаружением коллизий).
За этим длинным и непонятным акронимом
скрывается очень простая технология. Когда
плата Ethernet должна послать сообщение, то
сначала она ждет наступления тишины, затем
отправляет пакет и одновременно слушает, не
послал ли кто-нибудь сообщение
одновременно с ним. Если это произошло, то
оба пакета не доходят до адресата. Если
коллизии не было, а плата должна продолжать
передавать данные, она все равно ждет
несколько микросекунд, прежде чем снова
попытается послать новую порцию. Это
сделано для того, чтобы другие платы также
могли работать и никто не смог захватить
канал монопольно. В случае коллизии, оба
устройства замолкают на небольшой
промежуток времени, сгенерированный
случайным образом, а затем предпринимают
новую попытку передать данные.
Из-за коллизий ни
Ethernet, ни Fast Ethernet никогда не смогут достичь
своей максимальной производительности 10
или 100 Мбит/с. Как только начинает
увеличиваться трафик сети, временные
задержки между посылками отдельных пакетов
сокращаются, а количество коллизий
увеличивается. Реальная
производительность Ethernet не может превышать
70% его потенциальной пропускной
способности, и может еще ниже, если линия
серьезно перегружена.
Ethernet использует
размер пакета 1516 байт, который прекрасно
подходил, когда он только создавался.
Сегодня это считается недостатком, когда
Ethernet используется для взаимодействия
серверов, поскольку серверы и линии связи
имеют обыкновение обмениваться большим
количеством маленьких пакетов, что
перегружает сеть. Кроме того, Fast Ethernet
налагает ограничение на расстояние между
подключаемыми устройствами – не более 100
метров и это заставляет проявлять
дополнительную осторожность при
проектировании таких сетей.
Сначала Ethernet был
спроектирован на основе шинной топологии,
когда все устройства подключались к общему
кабелю, тонкому или толстому. Применение
витой пары лишь частично изменило протокол.
При использовании коаксиального кабеля
коллизия определялась сразу всеми
станциями. В случае с витой парой
используется "jam" сигнал, как только
станция определяет коллизию, то она
посылает сигнал концентратору, последний в
свою очередь рассылает "jam" всем
подключенным к нему устройствам.
Для того чтобы
снизить перегрузку, сети стандарта Ethernet
разбиваются на сегменты, которые
объединяются с помощью мостов и
маршрутизаторов. Это позволяет передавать
между сегментами лишь необходимый трафик.
Сообщение, передаваемое между двумя
станциями в одном сегменте, не будет
передано в другой и не сможет вызвать в нем
перегрузки.
Сегодня при
построении центральной магистрали,
объединяющей серверы используют
коммутируемый Ethernet. Ethernet-коммутаторы можно
рассматривать как высокоскоростные
многопортовые мосты, которые в состоянии
самостоятельно определить, в какой из его
портов адресован пакет. Коммутатор
просматривает заголовки пакетов и таким
образом составляет таблицу, определяющую,
где находится тот или иной абонент с таким
физическим адресом. Это позволяет
ограничить область распространения пакета
и снизить вероятность переполнения,
посылая его только в нужный порт. Только
широковещательные пакеты рассылаются по
всем портам.
100BaseT
- старший брат 10BaseT
Идея технологии
Fast Ethernet родилась в 1992 году. В августе
следующего года группа производителей
объединилась в Союз Fast Ethernet (Fast Ethernet Alliance, FEA).
Целью FEA было как можно скорее получить
формальное одобрение Fast Ethernet от комитета
802.3 Института инженеров по электротехнике и
радиоэлектронике (Institute of Electrical and Electronic
Engineers, IEEE), так как именно этот комитет
занимается стандартами для Ethernet. Удача
сопутствовала новой технологии и
поддерживающему ее альянсу: в июне 1995 года
все формальные процедуры были завершены, и
технологии Fast Ethernet присвоили наименование
802.3u.
С легкой руки IEEE
Fast Ethernet именуется 100BaseT. Объясняется это
просто: 100BaseT является расширением
стандарта 10BaseT с пропускной способностью от
10 М бит/с до 100 Мбит/с. Стандарт 100BaseT включает
в себя протокол обработки множественного
доступа с опознаванием несущей и
обнаружением конфликтов CSMA/CD (Carrier Sense Multiple
Access with Collision Detection), который используется и в
10BaseT. Кроме того, Fast Ethernet может работать на
кабелях нескольких типов, в том числе и на
витой паре. Оба эти свойства нового
стандарта весьма важны для потенциальных
покупателей, и именно благодаря им 100BaseT
оказывается удачным путем миграции сетей
на базе 10BaseT.
Главным
коммерческим аргументом в пользу 100BaseT
является то, что Fast Ethernet базируется на
наследуемой технологии. Так как в Fast Ethernet
используется тот же протокол передачи
сообщений, что и в старых версиях Ethernet, а
кабельные системы этих стандартов
совместимы, для перехода к 100BaseT от 10BaseT
требуются
меньшие
капитальные вложения, чем для установки
других видов высокоскоростных сетей. Кроме
того, поскольку 100BaseT представляет собой
продолжение старого стандарта Ethernet, все
инструментальные средства и процедуры
анализа работы сети, а также все
программное обеспечение, работающее на
старых сетях Ethernet должны в данном стандарте
сохранить работоспособность.
Следовательно, среда 100BaseT будет знакома
администраторам сетей, имеющим опыт работы
с Ethernet. А значит, обучение персонала займет
меньше времени и обойдется существенно
дешевле.
СОХРАНЕНИЕ
ПРОТОКОЛА
Пожалуй,
наибольшую практическую пользу новой
технологии принесло решение оставить
протокол передачи сообщений без изменения.
Протокол передачи сообщений, в нашем случае
CSMA/CD, определяет способ, каким данные
передаются по сети от одного узла к другому
через кабельную систему. В модели ISO/OSI
протокол CSMA/CD является частью уровня
управления доступом к среде (Media Access Control, MAC).
На этом уровне определяется формат, в
котором информация передается по сети, и
способ, каким сетевое устройство получает
доступ к сети (или управление сетью) для
передачи данных.
Название CSMA/CD
можно разбить на две части: Carrier Sense Multiple Access
и Collision Detection. Из первой части имени можно
заключить, каким образом узел с сетевым
адаптером определяет момент, когда ему
следует послать сообщение. В соответствии с
протоколом CSMA, сетевой узел вначале "слушает"
сеть, чтобы определить, не передается ли в
данный момент какое-либо другое сообщение.
Если прослушивается несущий сигнал (carrier tone),
значит в данный момент сеть занята другим
сообщением - сетевой узел переходит в режим
ожидания и пребывает в нем, пока сеть не
освободится. Когда в сети наступает
молчание, узел начинает передачу.
Фактически данные посылаются всем узлам
сети или сегмента, но принимаются лишь тем
узлом, которому они адресованы.
Collision Detection -
вторая часть имени - служит для разрешения
ситуаций, когда два или более узла пытаются
передавать сообщения одновременно.
Согласно протоколу CSMA, каждый готовый к
передаче узел должен вначале слушать сеть,
чтобы определить, свободна ли она. Однако,
если два узла слушают в одно и тоже время,
оба они решат, что сеть свободна, и начнут
передавать свои пакеты одновременно. В этой
ситуации передаваемые данные
накладываются друг на друга (сетевые
инженеры называют это конфликтом), и ни одно
из сообщений не доходит до пункта
назначения. Collision Detection требует, чтобы узел
прослушал сеть также и после передачи
пакета. Если обнаруживается конфликт, то
узел повторяет передачу через случайным
образом выбранный промежуток времени и
вновь проверяет, не произошел ли конфликт.
ТРИ ВИДА FAST ETHERNET
Наряду с
сохранением протокола CSMA/CD, другим важным
решением было спроектировать 100BaseT таким
образом, чтобы в нем можно было применять
кабели разных типов - как те, что
используются в старых версиях Ethernet, так и
более новые модели. Стандарт определяет три
модификации для обеспечения работы с
разными видами кабелей Fast Ethernet: 100BaseTX, 100BaseT4
и 100BaseFX. Модификации 100BaseTX и 100BaseT4 рассчитаны
на витую пару, а 100BaseFX был разработан для
оптического кабеля.
Стандарт 100BaseTX
требует применения двух пар UTP или STP. Одна
пара служит для передачи, другая – для
приема. Этим требованиям отвечают два
основных кабельных стандарта: EIA/TIA-568 UTP
Категории 5 и STP Типа 1 компании IBM. В 100BaseTX
привлекательно обеспечение
полнодуплексного режима при работе с
сетевыми серверами, а также использование
всего двух из четырех пар восьмижильного
кабеля - две другие пары остаются
свободными и могут быть использованы в
дальнейшем для расширения возможностей
сети.
Впрочем, если вы
собираетесь работать с 100BaseTX, используя для
этого проводку Категории 5, то вам следует
знать и об его недостатках. Этот кабель
дороже других восьмижильных кабелей (например
Категории 3). Кроме того, для работы с ним
требуется использование пробойных блоков (punchdown
blocks), разъемов и коммутационных панелей,
удовлетворяющих требованиям Категории 5.
Нужно добавить, что для поддержки
полнодуплексного режима следует
установить полнодуплексные коммутаторы.
Стандарт 100BaseT4
отличается более мягкими требованиями к
используемому кабелю. Причиной тому то
обстоятельство, что в 100BaseT4 используются
все четыре пары восьмижильного кабеля: одна
для передачи, другая для приема, а
оставшиеся две работают как на передачу,
так и на прием. Таким образом, в 100BaseT4 и прием,
и передача данных могут осуществляться по
трем парам. Раскладывая 100 Мбит/с на три пары,
100BaseT4 уменьшает частоту сигнала, поэтому
для его передачи довольно и менее
высококачественного кабеля. Для реализации
сетей 100BaseT4 подойдут кабели UTP Категорий 3 и
5, равно как и UTP Категории 5 и STP Типа 1.
Преимущество
100BaseT4 заключается в менее жестких
требованиях к проводке. Кабели Категорий 3 и
4 более распространены, и, кроме того, они
существенно дешевле, нежели кабели
Категории 5, о чем не следует забывать до
начала монтажных работ. Недостатки же
состоят в том, что для 100BaseT4 нужны все четыре
пары и что полнодуплексный режим этим
протоколом не поддерживается.
Fast Ethernet включает
также стандарт для работы с многомодовым
оптоволокном с 62.5-микронным ядром и 125-микронной
оболочкой. Стандарт 100BaseFX ориентирован в
основном на магистрали - на соединение
повторителей Fast Ethernet в пределах одного
здания. Традиционные преимущества
оптического кабеля присущи и стандарту
100BaseFX: устойчивость к электромагнитным
шумам, улучшенная защита данных и большие
расстояния между сетевыми устройствами.
БЕГУН
НА КОРОТКИЕ ДИСТАНЦИИ
Хотя Fast Ethernet и
является продолжением стандарта Ethernet,
переход от сети 10BaseT к 100BaseT нельзя
рассматривать как механическую замену
оборудования - для этого могут
потребоваться изменения в топологии сети.
Теоретический
предел диаметра сегмента сети Fast Ethernet
составляет 250 метров; это всего лишь 10
процентов теоретического предела размера
сети Ethernet (2500 метров). Данное ограничение
проистекает из характера протокола CSMA/CD и
скорости передачи 100Мбит/с.
Как уже
отмечалось ранее, передающая данные
рабочая станция должна прослушивать сеть в
течение времени, позволяющего убедиться в
том, что данные достигли станции назначения.
В сети Ethernet с пропускной способностью 10
Мбит/с (например 10Base5) промежуток времени,
необходимый рабочей станции для
прослушивания сети на предмет конфликта,
определяется расстоянием, которое 512-битный
кадр (размер кадра задан в стандарте Ethernet)
пройдет за время обработки этого кадра на
рабочей станции. Для сети Ethernet с пропускной
способностью 10 Мбит/с это расстояние равно
2500 метров.
С другой стороны,
тот же самый 512-битный кадр (стандарт 802.3u
задает кадр того же размера, что и 802.3, то
есть в 512 бит), передаваемый рабочей
станцией в сети Fast Ethernet, пройдет всего 250 м,
прежде чем рабочая станция завершит его
обработку. Если бы принимающая станция была
удалена от передающей станции на
расстояние свыше 250 м, то кадр мог бы
вступить в конфликт с другим кадром на
линии где-нибудь дальше, а передающая
станция, завершив передачу, уже не
восприняла бы этот конфликт. Поэтому
максимальный диаметр сети 100BaseT составляет
250 метров.
Чтобы
использовать допустимую дистанцию,
потребуется два повторителя для соединения
всех узлов. Согласно стандарту,
максимальное расстояние между узлом и
повторителем составляет 100 метров; в Fast Ethernet,
как и в 10BaseT, расстояние между
концентратором и рабочей станцией не
должно превышать 100метров. Поскольку
соединительные устройства (повторители)
вносят дополнительные задержки, реальное
рабочее расстояние между узлами может
оказаться еще меньше. Поэтому
представляется разумным брать все
расстояния с некоторым запасом.
Для работы на
больших расстояниях придется приобрести
оптический кабель. Например, оборудование
100BaseFX в полудуплексном режиме позволяет
соединить коммутатор с другим коммутатором
или конечной станцией, находящимися на
расстоянии до 450 метров друг от друга.
Установив полнодуплексный 100BaseFX, можно
соединить два сетевых устройства на
расстоянии до двух километров.
КАК
УСТАНОВИТЬ 100BASET
Кроме кабелей,
которые мы уже обсудили, для установки Fast
Ethernet потребуются сетевые адаптеры для
рабочих станций и серверов, концентраторы
100BaseT и, возможно, некоторое количество
коммутаторов 100BaseT.
Адаптеры,
необходимые для организации сети 100BaseT,
носят название адаптеров Ethernet 10/100 Мбит/с.
Данные адаптеры способны (это требование
стандарта 100BaseT) самостоятельно отличать 10
Мбит/с от 100 Мбит/с. Чтобы обслуживать группу
серверов и рабочих станций, переведенных на
100BaseT, потребуется также концентратор 100BaseT.
При включении
сервера или персонального компьютера с
адаптером 10/100 последний выдает сигнал,
оповещающий о том, что он может обеспечить
пропускную способность 100Мбит/с. Если
принимающая станция (скорее всего, это
будет концентратор) тоже рассчитана на
работу с 100BaseT, она в ответ выдаст сигнал, по
которому и концентратор, и ПК или сервер
автоматически переходят в режим 100BaseT. Если
концентратор работает только с 10BaseT, он не
подает ответный сигнал, и ПК или сервер
автоматически перейдут в режим 10BaseT.
В случае
мелкомасштабных конфигураций 100BaseT можно
применить мост или коммутатор 10/100, которые
обеспечат связь части сети, работающей с
100BaseT, с уже существующей сетью
10BaseT.
ОБМАНЧИВАЯ
БЫСТРОТА
Подытоживая все
вышесказанное, заметим, что, как нам кажется,
Fast Ethernet наиболее хорош для решения проблем
высоких пиковых нагрузок. Например, если
кто-то из пользователей работает с САПР или
программами обработки изображений и
нуждается в повышении пропускной
способности, то Fast Ethernet может оказаться
хорошим выходом из положения. Однако если
проблемы вызваны избыточным числом
пользователей в сети, то 100BaseT начинает
тормозить обмен информацией при примерно 50-процентной
загрузке сети - иными словами, на том же
уровне, что и 10BaseT. Но в конце концов, это
ведь не более чем расширение.
Сегодня практически невозможно обнаружить в продаже ноутбук или материнскую плату без интегрированной сетевой карты, а то и двух. Разъём у всех из них один - RJ45 (точнее, 8P8C), но скорость контроллера может отличаться на порядок. В дешёвых моделях - это 100 мегабит в секунду (Fast Ethernet), в более дорогих - 1000 (Gigabit Ethernet).
Если же в вашем компьютере встроенный LAN-контроллер отсутствует, то он, скорее всего, уже «старичок» на базе процессора типа Intel Pentium 4 или AMD Athlon XP, а также их «предков». Таких «динозавров» можно «подружить» с проводной сетью только путём установки дискретной сетевой карты с PCI-разъёмом, так как шины PCI Express во времена их появления на свет ещё не существовало. Но и для PCI-шины (33 МГц) выпускаются «сетевухи», поддерживающие наиболее актуальный стандарт Gigabit Ethernet, хотя её пропускной способности может быть недостаточно для полного раскрытия скоростного потенциала гигабитного контроллера.
Но даже в случае наличия 100-мегабитной интегрированной сетевой карты дискретный адаптер придётся приобрести тем, кто собирается «проапгрейдиться» до 1000 мегабит. Лучшим вариантом станет покупка PCI Express-контроллера, который обеспечит максимальную скорость работы сети, если, конечно, соответствующий разъём в компьютере присутствует. Правда, многие отдадут предпочтение PCI-карточке, так как они значительно дешевле (стоимость начинается буквально от 200 рублей).
Какие же преимущества даст на практике переход с Fast Ethernet на Gigabit Ethernet? Насколько отличается реальная скорость передачи данных PCI-версий сетевых карт и PCI Express? Хватит ли скорости обычного жёсткого диска для полной загрузки гигабитного канала? Ответы на эти вопросы вы найдёте в данном материале.
Участники тестирования
Для тестирования были выбраны три наиболее дешёвые дискретные сетевые карты (PCI - Fast Ethernet, PCI - Gigabit Ethernet, PCI Express - Gigabit Ethernet), так как они пользуются наибольшим спросом.
100-мегабитная сетевая PCI-карта представлена моделью Acorp L-100S (цена начинается от 110 рублей), в которой используется наиболее популярный для дешёвых карточек чипсет Realtek RTL8139D.
1000-мегабитная сетевая PCI-карта представлена моделью Acorp L-1000S (цена начинается от 210 рублей), которая основана на чипе Realtek RTL8169SC. Это единственная карта с радиатором на чипсете - остальным участникам тестирования дополнительное охлаждение не требуется.
1000-мегабитная сетевая PCI Express-карта представлена моделью TP-LINK TG-3468 (цена начинается от 340 рублей). И она не стала исключением - в её основе лежит чипсет RTL8168B, который тоже произведён компанией Realtek.
Внешний вид сетевой карты
Чипсеты из этих семейств (RTL8139, RTL816X) можно увидеть не только на дискретных сетевых картах, но и интегрированными на многие материнские платы.
Характеристики всех трёх контроллеров приведены в следующей таблице:
Показать таблицу
Пропускной способности PCI-шины (1066 Мбит/с) теоретически должно быть достаточно для «раскачки» гигабитных сетевых карт до полной скорости, но на практике её может всё-таки не хватить. Дело в том, что этот «канал» между собой делят все PCI-устройства; кроме того, по нему передаётся служебная информация по обслуживанию самой шины. Посмотрим, подтвердится ли это предположение при реальном измерении скорости.
Ещё один нюанс: подавляющее большинство современных жёстких дисков имеют среднюю скорость чтения не более 100 мегабайт в секунду, а часто и ещё меньше. Соответственно, они не смогут обеспечить полную загрузку гигабитного канала сетевой карты, скорость которого составляет 125 мегабайт в секунду (1000: 8 = 125). Обойти это ограничение можно двумя способами. Первый - это объёдинить пару таких жёстких дисков в RAID-массив (RAID 0, striping), при этом скорость может увеличиться практически в два раза. Второй - использовать SSD-накопители, скоростные параметры которых заметно превышают таковые у жёстких дисков.
Тестирование
В качестве сервера использовался компьютер со следующей конфигурацией:
- процессор: AMD Phenom II X4 955 3200 МГц (четырёхъядерный);
- материнская плата: ASRock A770DE AM2+ (чипсет AMD 770 + AMD SB700);
- оперативная память: Hynix DDR2 4 x 2048 Гб PC2 8500 1066 МГц (в двухканальном режиме);
- видеокарта: AMD Radeon HD 4890 1024 Мб DDR5 PCI Express 2.0;
- сетевая карта: Realtek RTL8111DL 1000 Мбит/с (интегрирована на материнскую плату);
- операционная система: Microsoft Windows 7 Home Premium SP1 (64-битная версия).
В качестве клиента, в который устанавливались тестируемые сетевые карты, использовался компьютер со следующей конфигурацией:
- процессор: AMD Athlon 7850 2800 МГц (двухъядерный);
- материнская плата: MSI K9A2GM V2 (MS-7302, чипсет AMD RS780 + AMD SB700);
- оперативная память: Hynix DDR2 2 x 2048 Гб PC2 8500 1066 МГц (в двухканальном режиме);
- видеокарта: AMD Radeon HD 3100 256 Мб (интегрирована в чипсет);
- жёсткий диск: Seagate 7200.10 160 Гб SATA2;
- операционная система: Microsoft Windows XP Home SP3 (32-битная версия).
Тестирование производилось в двух режимах: чтение и запись через сетевое подключение с жёстких дисков (это должно показать, что они могут являться «бутылочным горлышком»), а также с RAM-дисков в оперативной памяти компьютеров, имитирующих быстрые SSD-накопители. Сетевые карты соединялись напрямую при помощи трёхметрового патч-корда (восьмижильная витая пара, категория 5e).
Скорость передачи данных (жёсткий диск - жёсткий диск, Мбит/с)
Реальная скорость передачи данных через 100-мегабитную сетевую карту Acorp L-100S совсем немного не дотянула до теоретического максимума. А вот обе гигабитные карты хоть и обогнали первую примерно в шесть раз, но максимально возможную скорость показать не сумели. Прекрасно видно, что скорость «упёрлась» в производительность жёстких дисков Seagate 7200.10, которая при непосредственном тестировании на компьютере в среднем составляет 79 мегабайт в секунду (632 Мбит/с).
Принципиальной разницы в скорости между сетевыми картами для шины PCI (Acorp L-1000S) и PCI Express (TP-LINK ) в данном случае не наблюдается, незначительное преимущество последней вполне можно объяснить погрешностью измерений. Оба контроллера работали примерно на шестьдесят процентов от своих возможностей.
Скорость передачи данных (RAM-диск - RAM-диск, Мбит/с)
Acorp L-100S ожидаемо показала такую же низкую скорость и при копировании данных из высокоскоростных RAM-дисков. Оно и понятно - стандарт Fast Ethernet уже давно не соответствует современным реалиям. По сравнению с режимом тестирования «жёсткий диск - жёсткий диск» гигабитная PCI-карта Acorp L-1000S заметно прибавила в производительности - преимущество составило примерно 36 процентов. Ещё более впечатляющий отрыв продемонстрировала сетевая карта TP-LINK TG-3468 - прирост составил около 55 процентов.
Вот тут и проявилась более высокая пропускная способность шины PCI Express - обошла Acorp L-1000S на 14 процентов, что уже не спишешь на погрешность. Победитель немного не дотянул до теоретического максимума, но и скорость в 916 мегабит в секунду (114,5 Мб/с) всё равно выглядит впечатляюще - это означает, что ожидать окончания копирования придётся практически на порядок меньше (по сравнению с Fast Ethernet). К примеру, время копирования файла размером 25 Гб (типичный HD-рип с хорошим качеством) с компьютера на компьютер составит менее четырёх минут, а с адаптером предыдущего поколения - более получаса.
Тестирование показало, что сетевые карты стандарта Gigabit Ethernet имеют просто огромное преимущество (вплоть до десятикратного) над контроллерами Fast Ethernet. Если в ваших компьютерах установлены только жёсткие диски, не объединённые в striping-массив (RAID 0), то принципиальной разницы по скорости между PCI- и PCI Express-картами не будет. В противном случае, а также при использовании производительных SSD-накопителей предпочтение следует отдать картам с интерфейсом PCI Express, которые обеспечат максимально возможную скорость передачи данных.
Естественно, следует учитывать, что и остальные устройства в сетевом «тракте» (свитч, роутер...) должны поддерживать стандарт Gigabit Ethernet, а категория витой пары (патч-корда) должна быть не ниже 5e. Иначе реальная скорость так и останется на уровне 100 мегабит в секунду. К слову, обратная совместимость со стандартом Fast Ethernet сохраняется: к гигабитной сети можно подключить, например, ноутбук со 100-мегабитной сетевой картой, на скорости прочих компьютеров в сети это никак не скажется.
Наибольшее распространение среди стандартных сетей получила сеть Ethernet. Впервые она появилась в 1972 году (разработчиком выступила известная фирма Xerox). Сеть оказалась довольно удачной, и вследствие этого ее в 1980 году поддержали такие крупнейшие компании, как DEC и Intel (объединение этих компаний назвали DIX по первым буквам их названий). Их стараниями в 1985 году сеть Ethernet стала международным стандартом, ее приняли крупнейшие международные организации по стандартам: комитет 802 IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) и ECMA (European Computer Manufacturers Association).
Стандарт получил название IEEE 802.3 (по-английски читается как eight oh two dot three). Он определяет множественный доступ к моноканалу типа шина с обнаружением конфликтов и контролем передачи, то есть с уже упоминавшимся методом доступа CSMA/CD. Этому стандарту удовлетворяли и некоторые другие сети, так как уровень его детализации невысок. В результате сети стандарта IEEE 802.3 нередко были несовместимы между собой как по конструктивным, так и по электрическим характеристикам. Однако в последнее время стандарт IEEE 802.3 считается стандартом именно сети Ethernet.
Основные характеристики первоначального стандарта IEEE 802.3:
- топология – шина;
- среда передачи – коаксиальный кабель;
- скорость передачи – 10 Мбит/с;
- максимальная длина сети – 5 км;
- максимальное количество абонентов – до 1024;
- длина сегмента сети – до 500 м;
- количество абонентов на одном сегменте – до 100;
- метод доступа – CSMA/CD;
- передача узкополосная, то есть без модуляции (моноканал).
Строго говоря, между стандартами IEEE 802.3 и Ethernet существуют незначительные отличия, но о них обычно предпочитают не вспоминать.
Сеть Ethernet сейчас наиболее популярна в мире (более 90% рынка), предположительно таковой она и останется в ближайшие годы. Этому в немалой степени способствовало то, что с самого начала характеристики, параметры, протоколы сети были открыты, в результате чего огромное число производителей во всем мире стали выпускать аппаратуру Ethernet, полностью совместимую между собой.
В классической сети Ethernet применялся 50-омный коаксиальный кабель двух видов (толстый и тонкий). Однако в последнее время (с начала 90-х годов) наибольшее распространение получила версия Ethernet, использующая в качестве среды передачи витые пары. Определен также стандарт для применения в сети оптоволоконного кабеля. Для учета этих изменений в изначальный стандарт IEEE 802.3 были сделаны соответствующие добавления. В 1995 году появился дополнительный стандарт на более быструю версию Ethernet, работающую на скорости 100 Мбит/с (так называемый Fast Ethernet, стандарт IEEE 802.3u), использующую в качестве среды передачи витую пару или оптоволоконный кабель. В 1997 году появилась и версия на скорость 1000 Мбит/с (Gigabit Ethernet, стандарт IEEE 802.3z).
Помимо стандартной топологии шины все шире применяются топологии типа пассивная звезда и пассивное дерево. При этом предполагается использование репитеров и репитерных концентраторов, соединяющих между собой различные части (сегменты) сети. В результате может сформироваться древовидная структура на сегментах разных типов (рис. 7.1).
Рис. 7.1. Классическая топология сети Ethernet
В качестве сегмента (части сети) может выступать классическая шина или единичный абонент. Для шинных сегментов используется коаксиальный кабель, а для лучей пассивной звезды (для присоединения к концентратору одиночных компьютеров) – витая пара и оптоволоконный кабель. Главное требование к полученной в результате топологии – чтобы в ней не было замкнутых путей (петель). Фактически получается, что все абоненты соединены в физическую шину, так как сигнал от каждого из них распространяется сразу во все стороны и не возвращается назад (как в кольце).
Максимальная длина кабеля сети в целом (максимальный путь сигнала) теоретически может достигать 6,5 километров, но практически не превышает 3,5 километров.
В сети Fast Ethernet не предусмотрена физическая топология шина, используется только пассивная звезда или пассивное дерево. К тому же в Fast Ethernet гораздо более жесткие требования к предельной длине сети. Ведь при увеличении в 10 раз скорости передачи и сохранении формата пакета его минимальная длина становится в десять раз короче. Таким образом в 10 раз уменьшается допустимая величина двойного времени прохождения сигнала по сети (5,12 мкс против 51,2 мкс в Ethernet).
Для передачи информации в сети Ethernet применяется стандартный манчестерский код.
Доступ к сети Ethernet осуществляется по случайному методу CSMA/CD, обеспечивающему равноправие абонентов. В сети используются пакеты переменной длины со структурой, представленной на рис. 7.2. (цифры показывают количество байт)
Рис. 7.2. Структура пакета сети Ethernet
Длина кадра Ethernet (то есть пакета без преамбулы) должна быть не менее 512 битовых интервалов или 51,2 мкс (именно такова предельная величина двойного времени прохождения в сети). Предусмотрена индивидуальная, групповая и широковещательная адресация.
В пакет Ethernet входят следующие поля:
- Преамбула состоит из 8 байт, первые семь представляют собой код 10101010, а последний байт – код 10101011. В стандарте IEEE 802.3 восьмой байт называется признаком начала кадра (SFD – Start of Frame Delimiter) и образует отдельное поле пакета.
- Адреса получателя (приемника) и отправителя (передатчика) включают по 6 байт и строятся по стандарту, описанному в разделе Адресация пакетов лекции 4. Эти адресные поля обрабатываются аппаратурой абонентов.
- Поле управления (L/T – Length/Type) содержит информацию о длине поля данных. Оно может также определять тип используемого протокола. Принято считать, что если значение этого поля не больше 1500, то оно указывает на длину поля данных. Если же его значение больше 1500, то оно определяет тип кадра. Поле управления обрабатывается программно.
- Поле данных должно включать в себя от 46 до 1500 байт данных. Если пакет должен содержать менее 46 байт данных, то поле данных дополняется байтами заполнения. Согласно стандарту IEEE 802.3, в структуре пакета выделяется специальное поле заполнения (pad data – незначащие данные), которое может иметь нулевую длину, когда данных достаточно (больше 46 байт).
- Поле контрольной суммы (FCS – Frame Check Sequence) содержит 32-разрядную циклическую контрольную сумму пакета (CRC) и служит для проверки правильности передачи пакета.
Таким образом, минимальная длина кадра (пакета без преамбулы) составляет 64 байта (512 бит). Именно эта величина определяет максимально допустимую двойную задержку распространения сигнала по сети в 512 битовых интервалов (51,2 мкс для Ethernet или 5,12 мкс для Fast Ethernet). Стандарт предполагает, что преамбула может уменьшаться при прохождении пакета через различные сетевые устройства, поэтому она не учитывается. Максимальная длина кадра равна 1518 байтам (12144 бита, то есть 1214,4 мкс для Ethernet, 121,44 мкс для Fast Ethernet). Это важно для выбора размера буферной памяти сетевого оборудования и для оценки общей загруженности сети.
Выбор формата преамбулы не случаен. Дело в том, что последовательность чередующихся единиц и нулей (101010…10) в манчестерском коде характеризуется тем, что имеет переходы только в середине битовых интервалов (см. раздел 2.6.3), то есть только информационные переходы. Безусловно, приемнику просто настроиться (синхронизоваться) при такой последовательности, даже если она по какой-то причине укорачивается на несколько бит. Последние два единичные бита преамбулы (11) существенно отличаются от последовательности 101010…10 (появляются переходы еще и на границе битовых интервалов). Поэтому уже настроившийся приемник легко может выделить их и детектировать тем самым начало полезной информации (начало кадра).
Для сети Ethernet, работающей на скорости 10 Мбит/с, стандарт определяет четыре основных типа сегментов сети, ориентированных на различные среды передачи информации:
- 10BASE5 (толстый коаксиальный кабель);
- 10BASE2 (тонкий коаксиальный кабель);
- 10BASE-T (витая пара);
- 10BASE-FL (оптоволоконный кабель).
Наименование сегмента включает в себя три элемента: цифра 10 означает скорость передачи 10 Мбит/с, слово BASE – передачу в основной полосе частот (то есть без модуляции высокочастотного сигнала), а последний элемент – допустимую длину сегмента: 5 – 500 метров, 2 – 200 метров (точнее, 185 метров) или тип линии связи: Т – витая пара (от английского twisted-pair), F – оптоволоконный кабель (от английского fiber optic).
Точно так же для сети Ethernet, работающей на скорости 100 Мбит/с (Fast Ethernet) стандарт определяет три типа сегментов, отличающихся типами среды передачи:
- 100BASE-T4 (счетверенная витая пара);
- 100BASE-TX (сдвоенная витая пара);
- 100BASE-FX (оптоволоконный кабель).
Здесь цифра 100 означает скорость передачи 100 Мбит/с, буква Т – витую пару, буква F – оптоволоконный кабель. Типы 100BASE-TX и 100BASE-FX иногда объединяют под именем 100BASE-X, а 100BASE-T4 и 100BASE-TX – под именем 100BASE-T.
Подробнее особенности аппаратуры Ethernet, а также алгоритма управления обменом CSMA/CD и алгоритма вычисления циклической контрольной суммы (CRC) будут рассмотрены далее в специальных разделах курса. Здесь следует отметить только то, что сеть Ethernet не отличается ни рекордными характеристиками, ни оптимальными алгоритмами, она уступает по ряду параметров другим стандартным сетям. Но благодаря мощной поддержке, высочайшему уровню стандартизации, огромным объемам выпуска технических средств, Ethernet выгодно выделяется среди других стандартных сетей, и поэтому любую другую сетевую технологию принято сравнивать именно с Ethernet.
Развитие технологии Ethernet идет по пути все большего отхода от первоначального стандарта. Применение новых сред передачи и коммутаторов позволяет существенно увеличить размер сети. Отказ от манчестерского кода (в сети Fast Ethernet и Gigabit Ethernet) обеспечивает увеличение скорости передачи данных и снижение требований к кабелю. Отказ от метода управления CSMA/CD (при полнодуплексном режиме обмена) дает возможность резко повысить эффективность работы и снять ограничения с длины сети. Тем не менее, все новые разновидности сети также называются сетью Ethernet.
Сеть Token-Ring
Сеть Token-Ring (маркерное кольцо) была предложена компанией IBM в 1985 году (первый вариант появился в 1980 году). Она предназначалась для объединения в сеть всех типов компьютеров, выпускаемых IBM. Уже тот факт, что ее поддерживает компания IBM, крупнейший производитель компьютерной техники, говорит о том, что ей необходимо уделить особое внимание. Но не менее важно и то, что Token-Ring является в настоящее время международным стандартом IEEE 802.5 (хотя между Token-Ring и IEEE 802.5 есть незначительные отличия). Это ставит данную сеть на один уровень по статусу с Ethernet.
Разрабатывалась Token-Ring как надежная альтернатива Ethernet. И хотя сейчас Ethernet вытесняет все остальные сети, Token-Ring нельзя считать безнадежно устаревшей. Более 10 миллионов компьютеров по всему миру объединены этой сетью.
Компания IBM сделала все для максимально широкого распространения своей сети: была выпущена подробная документация вплоть до принципиальных схем адаптеров. В результате многие компании, например, 3СOM, Novell, Western Digital, Proteon и другие приступили к производству адаптеров. Кстати, специально для этой сети, а также для другой сети IBM PC Network была разработана концепция NetBIOS. Если в созданной ранее сети PC Network программы NetBIOS хранились во встроенной в адаптер постоянной памяти, то в сети Token-Ring уже применялась эмулирующая NetBIOS программа. Это позволило более гибко реагировать на особенности аппаратуры и поддерживать совместимость с программами более высокого уровня.
Сеть Token-Ring имеет топологию кольцо, хотя внешне она больше напоминает звезду. Это связано с тем, что отдельные абоненты (компьютеры) присоединяются к сети не напрямую, а через специальные концентраторы или многостанционные устройства доступа (MSAU или MAU – Multistation Access Unit). Физически сеть образует звездно-кольцевую топологию (рис. 7.3). В действительности же абоненты объединяются все-таки в кольцо, то есть каждый из них передает информацию одному соседнему абоненту, а принимает информацию от другого.
Рис. 7.3. Звездно-кольцевая топология сети Token-Ring
Концентратор (MAU) при этом позволяет централизовать задание конфигурации, отключение неисправных абонентов, контроль работы сети и т.д. (рис. 7.4). Никакой обработки информации он не производит.
Рис. 7.4. Соединение абонентов сети Token-Ring в кольцо с помощью концентратора (MAU)
Для каждого абонента в составе концентратора применяется специальный блок подключения к магистрали (TCU – Trunk Coupling Unit), который обеспечивает автоматическое включение абонента в кольцо, если он подключен к концентратору и исправен. Если абонент отключается от концентратора или же он неисправен, то блок TCU автоматически восстанавливает целостность кольца без участия данного абонента. Срабатывает TCU по сигналу постоянного тока (так называемый фантомный ток), который приходит от абонента, желающего включиться в кольцо. Абонент может также отключиться от кольца и провести процедуру самотестирования (крайний правый абонент на рис. 7.4). Фантомный ток никак не влияет на информационный сигнал, так как сигнал в кольце не имеет постоянной составляющей.
Конструктивно концентратор представляет собой автономный блок с десятью разъемами на передней панели (рис. 7.5).
Рис. 7.5. Концентратор Token-Ring (8228 MAU)
Восемь центральных разъемов (1…8) предназначены для подключения абонентов (компьютеров) с помощью адаптерных (Adapter cable) или радиальных кабелей. Два крайних разъема: входной RI (Ring In) и выходной RO (Ring Out) служат для подключения к другим концентраторам с помощью специальных магистральных кабелей (Path cable). Предлагаются настенный и настольный варианты концентратора.
Существуют как пассивные, так и активные концентраторы MAU. Активный концентратор восстанавливает сигнал, приходящий от абонента (то есть работает, как концентратор Ethernet). Пассивный концентратор не выполняет восстановление сигнала, только перекоммутирует линии связи.
Концентратор в сети может быть единственным (как на рис.7.4), в этом случае в кольцо замыкаются только абоненты, подключенные к нему. Внешне такая топология выглядит, как звезда. Если же нужно подключить к сети более восьми абонентов, то несколько концентраторов соединяются магистральными кабелями и образуют звездно-кольцевую топологию.
Как уже отмечалось, кольцевая топология очень чувствительна к обрывам кабеля кольца. Для повышения живучести сети, в Token-Ring предусмотрен режим так называемого сворачивания кольца, что позволяет обойти место обрыва.
В нормальном режиме концентраторы соединены в кольцо двумя параллельными кабелями, но передача информации производится при этом только по одному из них (рис. 7.6).
Рис. 7.6. Объединение концентраторов MAU в нормальном режиме
В случае одиночного повреждения (обрыва) кабеля сеть осуществляет передачу по обоим кабелям, обходя тем самым поврежденный участок. При этом даже сохраняется порядок обхода абонентов, подключенных к концентраторам (рис. 7.7). Правда, увеличивается суммарная длина кольца.
В случае множественных повреждений кабеля сеть распадается на несколько частей (сегментов), не связанных между собой, но сохраняющих полную работоспособность (рис. 7.8). Максимальная часть сети остается при этом связанной, как и прежде. Конечно, это уже не спасает сеть в целом, но позволяет при правильном распределении абонентов по концентраторам сохранять значительную часть функций поврежденной сети.
Несколько концентраторов может конструктивно объединяться в группу, кластер (cluster), внутри которого абоненты также соединены в кольцо. Применение кластеров позволяет увеличивать количество абонентов, подключенных к одному центру, например, до 16 (если в кластер входит два концентратора).
Рис. 7.7. Сворачивание кольца при повреждении кабеля
Рис. 7.8. Распад кольца при множественных повреждениях кабеля
В качестве среды передачи в сети IBM Token-Ring сначала применялась витая пара, как неэкранированная (UTP), так и экранированная (STP), но затем появились варианты аппаратуры для коаксиального кабеля, а также для оптоволоконного кабеля в стандарте FDDI.
Основные технические характеристики классического варианта сети Token-Ring:
- максимальное количество концентраторов типа IBM 8228 MAU – 12;
- максимальное количество абонентов в сети – 96;
- максимальная длина кабеля между абонентом и концентратором – 45 метров;
- максимальная длина кабеля между концентраторами – 45 метров;
- максимальная длина кабеля, соединяющего все концентраторы – 120 метров;
- скорость передачи данных – 4 Мбит/с и 16 Мбит/с.
Все приведенные характеристики относятся к случаю использования неэкранированной витой пары. Если применяется другая среда передачи, характеристики сети могут отличаться. Например, при использовании экранированной витой пары (STP) количество абонентов может быть увеличено до 260 (вместо 96), длина кабеля – до 100 метров (вместо 45), количество концентраторов – до 33, а полная длина кольца, соединяющего концентраторы – до 200 метров. Оптоволоконный кабель позволяет увеличивать длину кабеля до двух километров.
Для передачи информации в Token-Ring применяется бифазный код (точнее, его вариант с обязательным переходом в центре битового интервала). Как и в любой звездообразной топологии, никаких дополнительных мер по электрическому согласованию и внешнему заземлению не требуется. Согласование выполняется аппаратурой сетевых адаптеров и концентраторов.
Для присоединения кабелей в Token-Ring используются разъемы RJ-45 (для неэкранированной витой пары), а также MIC и DB9P. Провода в кабеле соединяют одноименные контакты разъемов (то есть используются так называемые прямые кабели).
Сеть Token-Ring в классическом варианте уступает сети Ethernet как по допустимому размеру, так и по максимальному количеству абонентов. Что касается скорости передачи, то в настоящее время имеются версии Token-Ring на скорость 100 Мбит/с (High Speed Token-Ring, HSTR) и на 1000 Мбит/с (Gigabit Token-Ring). Компании, поддерживающие Token-Ring (среди которых IBM, Olicom, Madge), не намерены отказываться от своей сети, рассматривая ее как достойного конкурента Ethernet.
По сравнению с аппаратурой Ethernet аппаратура Token-Ring заметно дороже, так как используется более сложный метод управления обменом, поэтому сеть Token-Ring не получила столь широкого распространения.
Однако в отличие от Ethernet сеть Token-Ring значительно лучше держит высокий уровень нагрузки (более 30-40%) и обеспечивает гарантированное время доступа. Это необходимо, например, в сетях производственного назначения, в которых задержка реакции на внешнее событие может привести к серьезным авариям.
В сети Token-Ring используется классический маркерный метод доступа, то есть по кольцу постоянно циркулирует маркер, к которому абоненты могут присоединять свои пакеты данных (см. рис. 7.8). Отсюда следует такое важное достоинство данной сети, как отсутствие конфликтов, но есть и недостатки, в частности необходимость контроля целостности маркера и зависимость функционирования сети от каждого абонента (в случае неисправности абонент обязательно должен быть исключен из кольца).
Предельное время передачи пакета в Token-Ring 10 мс. При максимальном количестве абонентов 260 полный цикл работы кольца составит 260 x 10 мс = 2,6 с. За это время все 260 абонентов смогут передать свои пакеты (если, конечно, им есть чего передавать). За это же время свободный маркер обязательно дойдет до каждого абонента. Этот же интервал является верхним пределом времени доступа Token-Ring.
Каждый абонент сети (его сетевой адаптер) должен выполнять следующие функции:
- выявление ошибок передачи;
- контроль конфигурации сети (восстановление сети при выходе из строя того абонента, который предшествует ему в кольце);
- контроль многочисленных временных соотношений, принятых в сети.
Большое количество функций, конечно, усложняет и удорожает аппаратуру сетевого адаптера.
Для контроля целостности маркера в сети используется один из абонентов (так называемый активный монитор). При этом его аппаратура ничем не отличается от остальных, но его программные средства следят за временными соотношениями в сети и формируют в случае необходимости новый маркер.
Активный монитор выполняет следующие функции:
- запускает в кольцо маркер в начале работы и при его исчезновении;
- регулярно (раз в 7 с) сообщает о своем присутствии специальным управляющим пакетом (AMP – Active Monitor Present);
- удаляет из кольца пакет, который не был удален пославшим его абонентом;
- следит за допустимым временем передачи пакета.
Активный монитор выбирается при инициализации сети, им может быть любой компьютер сети, но, как правило, становится первый включенный в сеть абонент. Абонент, ставший активным монитором, включает в сеть свой буфер (сдвиговый регистр), который гарантирует, что маркер будет умещаться в кольце даже при минимальной длине кольца. Размер этого буфера – 24 бита для скорости 4 Мбит/с и 32 бита для скорости 16 Мбит/с.
Каждый абонент постоянно следит за тем, как активный монитор выполняет свои обязанности. Если активный монитор по какой-то причине выходит из строя, то включается специальный механизм, посредством которого все другие абоненты (запасные, резервные мониторы) принимают решение о назначении нового активного монитора. Для этого абонент, обнаруживший аварию активного монитора, передает по кольцу управляющий пакет (пакет запроса маркера) со своим MAC-адресом. Каждый следующий абонент сравнивает MAC-адрес из пакета с собственным. Если его собственный адрес меньше, он передает пакет дальше без изменений. Если же больше, то он устанавливает в пакете свой MAC-адрес. Активным монитором станет тот абонент, у которого значение MAC-адреса больше, чем у остальных (он должен трижды получить обратно пакет со своим MAC-адресом). Признаком выхода из строя активного монитора является невыполнение им одной из перечисленных функций.
Маркер сети Token-Ring представляет собой управляющий пакет, содержащий всего три байта (рис. 7.9): байт начального разделителя (SD – Start Delimiter), байт управления доступом (AC – Access Control) и байт конечного разделителя (ED – End Delimiter). Все эти три байта входят также в состав информационного пакета, правда, функции их в маркере и в пакете несколько различаются.
Начальный и конечный разделители представляют собой не просто последовательность нулей и единиц, а содержат сигналы специального вида. Это было сделано для того, чтобы разделители нельзя было спутать ни с какими другими байтами пакетов.
Рис. 7.9. Формат маркера сети Token-Ring
Начальный разделитель SD содержит четыре нестандартных битовых интервала (рис. 7.10). Два из них, обозначающихся J, представляют собой низкий уровень сигнала в течение всего битового интервала. Два других бита, обозначающихся К, представляют собой высокий уровень сигнала в течение всего битового интервала. Понятно, что такие сбои в синхронизации легко выявляются приемником. Биты J и K никогда не могут встречаться среди битов полезной информации.
Рис. 7.10. Форматы начального (SD) и конечного (ED) разделителей
Конечный разделитель ED также содержит в себе четыре бита специального вида (два бита J и два бита K), а также два единичных бита. Но, кроме того, в него входят и два информационных бита, которые имеют смысл только в составе информационного пакета:
- Бит I (Intermediate) представляет собой признак промежуточного пакета (1 соответствует первому в цепочке или промежуточному пакету, 0 – последнему в цепочке или единственному пакету).
- Бит E (Error) является признаком обнаруженной ошибки (0 соответствует отсутствию ошибок, 1 – их наличию).
Байт управления доступом (AC – Access Control) разделен на четыре поля (рис. 7.11): поле приоритета (три бита), бит маркера, бит монитора и поле резервирования (три бита).
Рис. 7.11. Формат байта управления доступом
Биты (поле) приоритета позволяют абоненту присваивать приоритет своим пакетам или маркеру (приоритет может быть от 0 до 7, причем 7 соответствует наивысшему приоритету, а 0 – низшему). Абонент может присоединить к маркеру свой пакет только тогда, когда его собственный приоритет (приоритет его пакетов) такой же или выше приоритета маркера.
Бит маркера определяет, присоединен ли к маркеру пакет или нет (единица соответствует маркеру без пакета, нуль – маркеру с пакетом). Бит монитора, установленный в единицу, говорит о том, что данный маркер передан активным монитором.
Биты (поле) резервирования позволяют абоненту зарезервировать свое право на дальнейший захват сети, то есть занять очередь на обслуживание. Если приоритет абонента (приоритет его пакетов) выше, чем текущее значение поля резервирования, то он может записать туда свой приоритет вместо прежнего. После обхода по кольцу в поле резервирования будет записан наивысший приоритет из всех абонентов. Содержимое поля резервирования аналогично содержимому поля приоритета, но говорит о будущем приоритете.
В результате использования полей приоритета и резервирования обеспечивается возможность доступа к сети только абонентам, имеющим пакеты для передачи с наивысшим приоритетом. Менее приоритетные пакеты будут обслуживаться только по исчерпании более приоритетных пакетов.
Формат информационного пакета (кадра) Token-Ring представлен на рис. 7.12. Помимо начального и конечного разделителей, а также байта управления доступом в этот пакет входят также байт управления пакетом, сетевые адреса приемника и передатчика, данные, контрольная сумма и байт состояния пакета.
Рис. 7.12. Формат пакета (кадра) сети Token-Ring (длина полей дана в байтах)
Назначение полей пакета (кадра).
- Начальный разделитель (SD) является признаком начала пакета, формат – такой же, как и в маркере.
- Байт управления доступом (AC) имеет тот же формат, что и в маркере.
- Байт управления пакетом (FC – Frame Control) определяет тип пакета (кадра).
- Шестибайтовые MAC-адреса отправителя и получателя пакета имеют стандартный формат, описанный в лекции 4.
- Поле данных (Data) включает в себя передаваемые данные (в информационном пакете) или информацию для управления обменом (в управляющем пакете).
- Поле контрольной суммы (FCS – Frame Check Sequence) представляет собой 32-разрядную циклическую контрольную сумму пакета (CRC).
- Конечный разделитель (ED), как и в маркере, указывает на конец пакета. Кроме того, он определяет, является ли данный пакет промежуточным или заключительным в последовательности передаваемых пакетов, а также содержит признак ошибочности пакета (см. рис. 7.10).
- Байт состояния пакета (FS – Frame Status) говорит о том, что происходило с данным пакетом: был ли он увиден приемником (то есть, существует ли приемник с заданным адресом) и скопирован в память приемника. По нему отправитель пакета узнает, дошел ли пакет по назначению и без ошибок или его надо передавать заново.
Следует отметить, что больший допустимый размер передаваемых данных в одном пакете по сравнению с сетью Ethernet может стать решающим фактором для увеличения производительности сети. Теоретически для скоростей передачи 16 Мбит/с и 100 Мбит/с длина поля данных может достигать даже 18 Кбайт, что принципиально при передаче больших объемов данных. Но даже при скорости 4 Мбит/с благодаря маркерному методу доступа сеть Token-Ring часто обеспечивает большую фактическую скорость передачи, чем сеть Ethernet (10 Мбит/с). Особенно заметно преимущество Token-Ring при больших нагрузках (свыше 30-40%), так как в этом случае метод CSMA/CD требует много времени на разрешение повторных конфликтов.
Абонент, желающий передавать пакет, ждет прихода свободного маркера и захватывает его. Захваченный маркер превращается в обрамление информационного пакета. Затем абонент передает информационный пакет в кольцо и ждет его возвращения. После этого он освобождает маркер и снова посылает его в сеть.
Помимо маркера и обычного пакета в сети Token-Ring может передаваться специальный управляющий пакет, служащий для прерывания передачи (Abort). Он может быть послан в любой момент и в любом месте потока данных. Пакет этот состоит из двух однобайтовых полей – начального (SD) и конечного (ED) разделителей описанного формата.
Интересно, что в более быстрой версии Token-Ring (16 Мбит/с и выше) применяется так называемый метод раннего формирования маркера (ETR – Early Token Release). Он позволяет избежать непроизводительного использования сети в то время, пока пакет данных не вернется по кольцу к своему отправителю.
Метод ETR сводится к тому, что сразу после передачи своего пакета, присоединенного к маркеру, любой абонент выдает в сеть новый свободный маркер. Другие абоненты могут начинать передачу своих пакетов сразу же после окончания пакета предыдущего абонента, не дожидаясь, пока он завершит обход всего кольца сети. В результате в сети может находиться несколько пакетов одновременно, но всегда будет не более одного свободного маркера. Этот конвейер особенно эффективен в сетях большой протяженности, имеющих значительную задержку распространения.
При подключении абонента к концентратору он выполняет процедуру автономного самотестирования и тестирования кабеля (в кольцо он пока не включается, так как нет сигнала фантомного тока). Абонент посылает сам себе ряд пакетов и проверяет правильность их прохождения (его вход напрямую соединен с его же выходом блоком TCU, как показано на рис. 7.4). После этого абонент включает себя в кольцо, посылая фантомный ток. В момент включения, передаваемый по кольцу пакет может быть испорчен. Далее абонент настраивает синхронизацию и проверяет наличие в сети активного монитора. Если активного монитора нет, абонент начинает состязание за право стать им. Затем абонент проверяет уникальность собственного адреса в кольце и собирает информацию о других абонентах. После чего он становится полноправным участником обмена по сети.
В процессе обмена каждый абонент следит за исправностью предыдущего абонента (по кольцу). Если он подозревает отказ предыдущего абонента, он запускает процедуру автоматического восстановления кольца. Специальный управляющий пакет (бакен) говорит предыдущему абоненту о необходимости провести самотестирование и, возможно, отключиться от кольца.
В сети Token-Ring предусмотрено также использование мостов и коммутаторов. Они применяются для разделения большого кольца на несколько кольцевых сегментов, имеющих возможность обмена пакетами между собой. Это позволяет снизить нагрузку на каждый сегмент и увеличить долю времени, предоставляемую каждому абоненту.
В результате можно сформировать распределенное кольцо, то есть объединение нескольких кольцевых сегментов одним большим магистральным кольцом (рис. 7.13) или же звездно-кольцевую структуру с центральным коммутатором, к которому подключены кольцевые сегменты (рис. 7.14).
Рис. 7.13. Объединение сегментов магистральным кольцом с помощью мостов
Рис. 7.14. Объединение сегментов центральным коммутатором
Сеть Arcnet (или ARCnet от английского Attached Resource Computer Net, компьютерная сеть соединенных ресурсов) – это одна из старейших сетей. Она была разработана компанией Datapoint Corporation еще в 1977 году. Международные стандарты на эту сеть отсутствуют, хотя именно она считается родоначальницей метода маркерного доступа. Несмотря на отсутствие стандартов, сеть Arcnet до недавнего времени (в 1980 – 1990 г.г.) пользовалась популярностью, даже серьезно конкурировала с Ethernet. Большое количество компаний (например, Datapoint, Standard Microsystems, Xircom и др.) производили аппаратуру для сети этого типа. Но сейчас производство аппаратуры Arcnet практически прекращено.
Среди основных достоинств сети Arcnet по сравнению с Ethernet можно назвать ограниченную величину времени доступа, высокую надежность связи, простоту диагностики, а также сравнительно низкую стоимость адаптеров. К наиболее существенным недостаткам сети относятся низкая скорость передачи информации (2,5 Мбит/с), система адресации и формат пакета.
Для передачи информации в сети Arcnet используется довольно редкий код, в котором логической единице соответствует два импульса в течение битового интервала, а логическому нулю – один импульс. Очевидно, что это самосинхронизирующийся код, который требует еще большей пропускной способности кабеля, чем даже манчестерский.
В качестве среды передачи в сети используется коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 93 Ом, к примеру, марки RG-62A/U. Варианты с витой парой (экранированной и неэкранированной) не получили широкого распространения. Были предложены и варианты на оптоволоконном кабеле, но и они также не спасли Arcnet.
В качестве топологии сеть Arcnet использует классическую шину (Arcnet-BUS), а также пассивную звезду (Arcnet-STAR). В звезде применяются концентраторы (хабы). Возможно объединение с помощью концентраторов шинных и звездных сегментов в древовидную топологию (как и в Ethernet). Главное ограничение – в топологии не должно быть замкнутых путей (петель). Еще одно ограничение: количество сегментов, соединенных последовательной цепочкой с помощью концентраторов, не должно превышать трех.
Концентраторы бывают двух видов:
- Активные концентраторы (восстанавливают форму приходящих сигналов и усиливают их). Количество портов – от 4 до 64. Активные концентраторы могут соединяться между собой (каскадироваться).
- Пассивные концентраторы (просто смешивают приходящие сигналы без усиления). Количество портов – 4. Пассивные концентраторы не могут соединяться между собой. Они могут связывать только активные концентраторы и/или сетевые адаптеры.
Шинные сегменты могут подключаться только к активным концентраторам.
Сетевые адаптеры также бывают двух видов:
- Высокоимпедансные (Bus), предназначенные для использования в шинных сегментах:
- Низкоимпедансные (Star), предназначенные для использования в пассивной звезде.
Низкоимпедансные адаптеры отличаются от высокоимпедансных тем, что они содержат в своем составе согласующие 93-омные терминаторы. При их применении внешнее согласование не требуется. В шинных сегментах низкоимпедансные адаптеры могут использоваться как оконечные для согласования шины. Высокоимпедансные адаптеры требуют применения внешних 93-омных терминаторов. Некоторые сетевые адаптеры имеют возможность переключения из высокоимпедансного состояния в низкоимпедансное, они могут работать и в шине, и в звезде.
Таким образом, топология сети Arcnet имеет следующий вид (рис. 7.15).
Рис. 7.15. Топология сети Arcnet типа шина (B – адаптеры для работы в шине, S – адаптеры для работы в звезде)
Основные технические характеристики сети Arcnet следующие.
- Среда передачи – коаксиальный кабель, витая пара.
- Максимальная длина сети – 6 километров.
- Максимальная длина кабеля от абонента до пассивного концентратора – 30 метров.
- Максимальная длина кабеля от абонента до активного концентратора – 600 метров.
- Максимальная длина кабеля между активным и пассивным концентраторами – 30 метров.
- Максимальная длина кабеля между активными концентраторами – 600 метров.
- Максимальное количество абонентов в сети – 255.
- Максимальное количество абонентов на шинном сегменте – 8.
- Минимальное расстояние между абонентами в шине – 1 метр.
- Максимальная длина шинного сегмента – 300метров.
- Скорость передачи данных – 2,5 Мбит/с.
При создании сложных топологий необходимо следить за тем, чтобы задержка распространения сигналов в сети между абонентами не превышала 30 мкс. Максимальное затухание сигнала в кабеле на частоте 5 МГц не должно превышать 11 дБ.
В сети Arcnet используется маркерный метод доступа (метод передачи права), но он несколько отличается от аналогичного в сети Token-Ring. Ближе всего этот метод к тому, который предусмотрен в стандарте IEEE 802.4. Последовательность действий абонентов при данном методе:
1. Абонент, желающий передавать, ждет прихода маркера.
2. Получив маркер, он посылает запрос на передачу абоненту-приемнику информации (спрашивает, готов ли приемник принять его пакет).
3. Приемник, получив запрос, посылает ответ (подтверждает свою готовность).
4. Получив подтверждение готовности, абонент-передатчик посылает свой пакет.
5. Получив пакет, приемник посылает подтверждение приема пакета.
6. Передатчик, получив подтверждение приема пакета, заканчивает свой сеанс связи. После этого маркер передается следующему абоненту по порядку убывания сетевых адресов.
Таким образом, в данном случае пакет передается только тогда, когда есть уверенность в готовности приемника принять его. Это существенно увеличивает надежность передачи.
Так же, как и в случае Token-Ring, конфликты в Arcnet полностью исключены. Как и любая маркерная сеть, Arcnet хорошо держит нагрузку и гарантирует величину времени доступа к сети (в отличие от Ethernet). Полное время обхода маркером всех абонентов составляет 840 мс. Соответственно, этот же интервал определяет верхний предел времени доступа к сети.
Маркер формируется специальным абонентом – контроллером сети. Им является абонент с минимальным (нулевым) адресом.
Если абонент не получает свободный маркер в течение 840 мс, то он посылает в сеть длинную битовую последовательность (для гарантированного уничтожения испорченного старого маркера). После этого производится процедура контроля сети и назначения (при необходимости) нового контроллера.
Размер пакета сети Arcnet составляет 0,5 Кбайта. Помимо поля данных в него входят также 8-битные адреса приемника и передатчика и 16-битная циклическая контрольная сумма (CRC). Такой небольшой размер пакета оказывается не слишком удобным при высокой интенсивности обмена по сети.
Адаптеры сети Arcnet отличаются от адаптеров других сетей тем, что в них необходимо с помощью переключателей или перемычек установить собственный сетевой адрес (всего их может быть 255, так как последний, 256-ой адрес применяется в сети для режима широкого вещания). Контроль уникальности каждого адреса сети полностью возлагается на пользователей сети. Подключение новых абонентов становится при этом довольно сложным, так как необходимо задавать тот адрес, который еще не использовался. Выбор 8-битного формата адреса ограничивает допустимое количество абонентов в сети – 255, что может быть недостаточно для крупных компаний.
В результате все это привело к практически полному отказу от сети Arcnet. Существовали варианты сети Arcnet, рассчитанные на скорость передачи 20 Мбит/с, но они не получили широкого распространения.
Статьи к прочтению:
Лекция 6: Стандартные сегменты сети Ethernet/Fast Ethernet