Проектирование сети в пределах коллизионного домена Ethernet

При проектировании коллизионного домена сети Ethernet, особенно при большой протяженности (диаметр > 2,5 км), а также при большом числе последовательно установленных повторителей (> 2), необходимо проводить анализ параметров сети на соответствие стандарту. Отправной точкой может служить модель 1 — наиболее часто используемая при проектировании. Если параметры сети удовлетворяют этой модели, то сеть спроектирована правильно. В некоторых более сложных случаях сеть может не удовлетворять критериям модели 1, но это еще не значит, что сеть спроектирована неверно. Тогда следует проводить более тщательный анализ параметров коллизионного домена, руководствуясь моделью 2,.

Расчет параметров коллизионного домена Ethernet (Модель 1)

Модель 1 дает возможность в простых случаях быстро определить, соответствует ли планируемая сеть основным требованиям стандарта Ethernet. Эта модель устанавливает следующий набор правил, каждое из которых должно быть удовлетворено [4, 17].

• 1. Повторители требуются для объединения всех сегментов сети. (Используемые повторители должны удовлетворять требованиям спецификаций стандарта IEEE 802.3 и поддерживать такие функции, как восстановление формы сигнала и временных характеристик, регенерация преамбулы и др.)
• 2. Трансиверы, подключенные к повторителям по AUI интерфейсу (рис. 6 б), учитываются только в том случае, когда они являются частью анализируемого пути между удаленными узлами (DTE) инужны для подключение сегментов — толстого коаксиального кабеля Ethernet и волоконно-оптического кабеля.
• 3. Путь передачи данных между любыми двумя DTE может включать в себя до 5 сегментов, 4 повторителей (с необязательными AUI портами), 2 трансивера (отдельными MAU устройствами) и 2 трансиверных интерфейсных кабелей.
• 4. Длина трансиверного интерфейсного кабеля не должна превышать 25 м (суммарная длина трансиверного кабеля не превосходит 50 м на один сегмент, поскольку на сегмент — оптический или на основе толстого коаксиального кабеля — требуется два трансивера).
• 5. Если путь передачи между DTE состоит из четырех повторителей и пяти сегментов, то смешанных сегментов (на основе 10Base2 и/или 10Base5) может быть не больше трех — оставшиеся два сегмента должны быть чисто связными сегментами («точка-точка», т. е на основе 10Base-T и/или 10Base-FL). Для сегментов 10Base-FL расстояние не должно превосходить 500 м.

Если путь передачи между DTE состоит из трех повторителей и четырех сегментов, используются следующие ограничения:

• — максимальная длина по оптическому сегменту (10Base-FL) между повторителями не должна превосходить 1000 м;
• — максимальная длина по оптическому сегменту (10Base-FL) между DTE и повторителем не должна превосходить 400 м;
• — снимается ограничение на число смешанных сегментов (все четыре сегмента могут быть смешанными, т. е. строиться на основе толстого и/или тонкого коаксиальных кабелей).

Проведем анализ допустимой конфигурации сети Ethernet, показанной на рис. 11.

Рис. 11.

Рассмотрим путь между узлами 1 и 2: число повторителей — 4, сегментов — 5, трансиверов — 2, трансиверных интерфейсных кабелей (AUI кабели) — 2, суммарная длина кабелей не превосходит 50 м, число смешанных коаксиальных сегментов 2, т. е. не превосходит 3 (остальные три сегмента — «точка-точка». Таким образом, путь между узлами 1 и 2 удовлетворяет требованиям модели 1.

Однако путь между узлами 1 и 3 не удовлетворяет этим требованиям, поскольку число трансиверов на этом пути равно 4. Сами трансиверы не вносят дополнительную задержку. В этом смысле оптический порт трансивера, прикрепленного к повторителю 3 был бы такой же быстрый, как и встроенные оптические порты, если бы длина интерфейсного кабеля AUI 3 равнялась нулю). Но задержку могут вносить трансиверные интерфейсные кабели. Поэтому правильней для анализа пути между узлами 1 и 3 использовать модель 2.

Расчет параметров коллизионного домена Ethernet (Модель 2)

Нет смысла прибегать к использованию модели 2, если выполняется модель 1, поскольку сеть, удовлетворяющая требованиям модели 1, всегда будет удовлетворять требованиям модели 2. Поэтому при исследовании сложного коллизионного домену отдельные простые пути между узлами можно анализировать при помощи модели 1. Модель 2 позволяет проводить анализ более сложных конфигураций путей между удаленными узлами (DTE) коллизионного домена Ethernet [4, 18]. Два параметра вычисляются в этой модели: во-первых, задержка на двойном пробеге RTD для каждого пути в пределах коллизионного домена — она должна быть меньше 575 ВТ; во-вторых, проверяется допустимое уменьшение межкадрового интервала IFG — это уменьшение должно находиться в пределах 49 ВТ.

Расчет RTD. Путь между двумя DTE в общем случае состоит из одного начального, нескольких средних, и одного конечного сегментов. Для каждого пути на основе табл. 4 (Значения RTD (ВТ) [18]) суммируются задержки на промежуточных сегментах. Если между DTE1 и DTE2 только один повторитель, то промежуточных сегментов не будет, и RTD определяется только суммой задержек от начального и конечного сегментов. Если интерфейсы DTE1 и DTE2 разные, то задержка RTD будет несколько отличаться в зависимости от того, с какой стороны выбран начальный сегмент. Сравнивать с 575 ВТ следует наибольшее из подсчитанных значений. Задержка на сегменте длины L считается по формуле RTD = Base + RTDML.

Ниже приводится расчет RTD по модели 2 для всех путей сети, показанной на рис. 11:

RTD (1, 2) = 30,73+89,8+4,88+233,5+(500+500) 0,1 + 176,3 =.

= 468,71 ВТ;

RTD (2, 1) = 26,55+89,8+4,88+233,5+(500+500) 0,1 + 188,48 =.

= 476,71 ВТ;

RTD (1, 3) = 30,73+89,8+4,88+(12−2)0,1026+2ЗЗ, 5+(500+500) 0,1 +.

+ 156,5 = 449,936 ВТ;

RTD (3, 1) = 12,25+89,8+4,88+(12−2) 0,1026+233,5+(500+500)0,1 +.

+ 188,48 = 463,436 ВТ;

RTD (2, 3) = 26,55+233,5+(500+500)0,1+(12−2)0,1026+156,5 =.

= 351,076 ВТ;

RTD (3, 2) = 12,25+2ЗЗ, 5+(500+500) 0,1+(12−2) 0,1026+176,3 =.

= 356,576 ВТ.

Запасом надежности SF (safety margin) называется величина 575-max (RTD). При проектировании сетей Ethernet SF берут в пределах от 0 до 5 ВТ. Для сети (рис. 11) SF = 575 — 477 = 98 ВТ. Запас в 5 ВТ соответствует длине 50 м и позволяет в непредвиденных ситуациях после инсталляции нарастить тот или иной сегмент, или добавить оконечное устройство.

Таблица 4.

• — RTDM — вносимая задержка на кабельном сегменте с учетом двойного прохождения длины 1 м.
• — Base — максимально допустимая стандартом задержка, связанная с конечной скоростью обработки сигнала сетевым устройством (DTE и повторителем), соответствующая нулевой длине сегмента.
• — Max — задержка на сегменте при максимальной длине.
• — Излишек кабеля AUI считается по отношению к длине 2 м. Задержка на этой длине учтена в других параметрах. Если длина трансиверного кабеля меньше 2 м, то его вклад в RTD учитывается.

Пример 1 (рис. 12 а). Строится сеть Ethernet, основанная на двух повторителях, связанных между собой волоконно-оптическим сегментом. Узлы сети подключаются к повторителям по витой паре. Оценить максимальное допустимое расстояние сегмента между повторителями.

Решение. Пусть максимальная допустимая длина L. Тогда с учетом SF = 5 ВТ имеем:

RTD + SF = 26,55 + 33,5 + L0,1 + 176,3 + 5 = 575.

ВТ. Отсюда L = 3336 м. Если оптический сегмент строится на основе многомодового ОВ, максимальная длина будет 2000 м, которая установлена стандартом, причем ограничение вызвано характеристиками оптических приемопередатчиков. Возможна большая длина, если использовать нестандартное оптические приемо-передатчики с более высоким динамическим диапазоном. Нет ограничений на длину 2000 м, если сегмент строить на основе одномодового ОВ и использовать одномодовые лазерные передатчики — тогда ответ L = 3336 м.

Пример 2 (рис. 12 6). Условие то же, что и в примере 7.1, только в сети три последовательных повторителя, два оптических сегмента. Оценить максимальную допустимую суммарную длину оптических сегментов.

Решение. Пусть длины сегментов L₁ и L₂. Тогда с учетом SF = 5 ВТ имеем: RTD+SF = 26,5 + 33,5 + 33,5 + (L_l + L₂)0,1 + 176,3+5 = 575 ВТ. Отсюда L₁ + L₂ = 3001 м.

Пример 3 (рис. 12 в). Оценить максимальное допустимое расстояние L оптического сегмента в сети, состоящей из двух узлов (канал считать полудуплексным).

Решение. Полудуплексный канал создает коллизионный домен. Поэтому необходимо рассчитать задержку на двойном пробеге. Рассчитаем сначала задержку между узлом 1 и 2 для случаев с двумя и одним повторителями:

• (2 повторителя): RTD = 12,25 + 156,5 + 33,5 + L0,1;
• (1 повторитель): RTD = 12,25 + 156,5 + L0,1.

Сразу видно, что каждый дополнительный повторитель создает дополнительную задержку 33,5 ВТ. Тогда задержка при отсутствии повторителей будет на 33,5 ВТ меньше, чем при одном повторителе, т. е.: (0 повторителей) RTD + SF = 12,25 + 156,5 — 33,5 + L0,1 + 5 = 575 ВТ. Отсюда L = 4347 м.

Расчет допустимого уменьшения межкадрового интервала. Межкадровый интервал IFG в 96 ВТ выдерживается любой станцией, которая ведет последовательную передачу кадров, или станцией, которая только собирается приступить к передаче. Благодаря наличию интервала между кадрами приемные узлы способны обрабатывать каждый приходящий кадр. Конечный межкадровый интервал также нужен для правильной работы протокола CSMA/CD. Однако интервал в 96 ВТ, поддерживающийся передающей станцией, не означает, что и на приемную станцию кадры будут поступать с таким же интервалом. При движении кадров по сети могут возникать меняющиеся временные задержки, связанные с ретрансляцией кадров сетевыми компонентами. Кроме того, вариации задержки могут возникать из-за процессов реконструкции сигнала на повторителях — повторитель, восстанавливая преамбулу, добавляет в нее утерянные ранее биты.

Эти задержки, аккумулируясь, способны значительно уменьшать межкадровый интервал SVV (segment variability value), что, в свою очередь, может приводить к неправильной идентификации принимаемого кадра и, в итоге, к потери кадра. Стандартом установлена величина максимального допустимого уменьшения межкадрового интервала, составляющая 49 ВТ.

А Б.

В Рис. 12.

Поскольку уменьшение IFG происходит только на промежуточных сетевых устройствах, то последний сегмент, к которому подключен приемный узел сети, сам по себе не приводит к уменьшению TFG. Поэтому для расчета величины SVV суммируют величины допустимых уменьшений по всем предыдущим сегментам, каждый из которых замыкается повторителем, ели в сети приемный и передающий узлы подключены к разным сегментам, то следует в качестве передающего сегмента выбирать сегмент с большей величиной допустимого уменьшения IFG (см. таблицу 5).

Приведем расчет SVV для сети, показанной на рис. 11:

SVV (узел 1, узел 2) = 16 + 11 + 8 + 8 = 43 ВТ,.

SVV (узел 2, узел 1) = 10,5 + 8 + 8 + 11 = 37,5 ВТ,.

SVV (узел 1, узел 3) = 16 + 11 + 8 = 35 ВТ,.

SVV (узел 3, узел 1) = 10,5 + 8 + 11 = 29,5 ВТ,.

SVV (узел 2, узел 3) = 10,5 + 8 = 18,5 ВТ,.

SVV (узел 3, узел 2) = 10,5 + 8 = 18,5 ВТ.

Как видно, максимальная величина SVV не превосходит 49 ВТ, значит сеть удовлетворяет требованиям модели 2.

Таблица 5.

В модели 1 наибольшая задержка, равная предельной допустимой, возникает в сети, в которой имеется 5 последовательных коаксиальных сегментов: SVV = 16 + 11 + 11 + 11 = 49 ВТ.

Пример 4. Оценить максимальное допустимое число сегментов N на пути между двумя удаленными узлами коллизионного домена сети, если считать, что сегменты строятся на основе витой пары и/или оптического волокна. Оценить в этом случае допустимую длину L этого пути.

Решение. Так как средних сегментов всего N — 2, то SVV = 10,5 + (N — 2)8. Отсюда находим при N = 6, SVV = 42,5 и не превосходит 49 (при N = 7, SVV = 50,5 > 49). Ответ N = 6 последовательных сегментов (5 повторителей). Следует подчеркнуть, что такое число последовательных сегментов не удовлетворяет модели 1. Для оценки L заметим, что все параметры по RTD (включая задержку на распространении сигнала по кабелю) для витой пары больше, чем для оптического волокна (строки 10Base-T и 10Base-FL табл. 4). Поэтому оценку можно сделать для витой пары, допуская замену витой пары на волокно в любом сегменте (суммарная длина по сегментам пути может только возрасти).

RTD + SF= 15,25 + (N — 2)42 + 165 + L0,113 + 5 = 575 ВТ.

Отсюда при N = 6 находим L = 1962 м.

Хотя число последовательных повторителей в сети Ethernet, как видно из примера 4, не превосходит 5, полное число повторителей в коллизионном домене может быть значительно больше, например, не запрещено к центральному повторителю по витым парам подключить 10 удаленных повторителей и т. п. Однако следует всегда учитывать то, что при большом числе рабочих станций (n > 20) в коллизионном домене, эффективность сети начинает падать: полоса пропускания ведет себя как 1/n от 10 Мбит/с, а средняя полоса в расчете на одну станцию становится 1/n². Поэтому в сетях с большим числом рабочих станций следует устанавливать коммутаторы в центральные узлы, создавая множество доменов.