Основные типы устройств Ethernet

AUI интерфейс и трансиверы Ethernet

Интерфейс AUI (attachment unit interface) — это средонезависимый интерфейс в рамках стандарта Ethernet, который обеспечивает вертикальное взаимодействие между подуровнем физической сигнализации PLS (physical signaling) и подуровнем физического подключения к среде РМА (physical medium attachment), рис. 5. Этот интерфейс может быть либо интегрирован внутри сетевого устройства (тогда наружу предоставляется один из стандартных интерфейсов, например 10Base-T, или 10Base-FL), либо сам выводится наружу.

Таблица 2.

MDI — интерфейс сетевой карты; MDI-X — интерфейс портов повторителя или коммутатора.

Повторитель/коммутатор могут иметь один или несколько портов RJ-45 типа MDI.

• * Длина волны 850 нм используется для многомодового (mm) BOK — собственно стандарт 10Base-FL, и 1310 нм — для одномодового (sm) и многомодового ВОК.
• ** Допустима также смешанная физическая топология, однако логическая топология всегда шина.
• *** При использовании одномодового ВОК длина сегмента ограничивается максимальным диаметром коллизионного домена Ethernet. Если связь осуществляется между двумя коммутаторами в режиме полного дуплекса, то расстояние может достигать 100 км.

Отдельное устройство с уровнями РМА и MDI называется трансивером (transceiver) — MAU (media attachment unit, элемент подключения среды). Стандартный разъем со стороны устройства, охватывающего вышележащие уровни, т. е. PLS и выше (таким устройством может быть сетевая карта, коммутатор, концентратор) называется AUI портом, а со стороны устройства, охватывающего нижележащие уровни, т. е. РМА и MDI, — портом MAU.

Порт AUI имеет 15 контактов (гнезд), и соответственно, порт MAU имеет 15-контактный (пиновый) разъем так, что трансивер может непосредственно подключаться к AUI порту сетевого устройства. Допустимо также подключение трансивера стандартным трансиверным интерфейсным кабелем толщиной 1 см, длина которого не должна превышать 50 м. На практике получили распространение упрощенные трансиверные кабели с затуханием, в 4 раза превышающим стандартное. Длина таких кабелей не должна превышать 12,5 м. Из 15 медных жил трансиверного кабеля реально используются только 10 — жилы с порядковыми номерами 4, 7, 8, 14 и 15 не используются. Питание трансивера осуществляется по этому кабелю от порта AUI.

По типу средозависимого (физического) интерфейса различают четыре разновидности трансиверов MAU: на 10Base5 — трансивер, обеспечивающий подключение толстого коаксиального кабеля, обычно такой трансивер имеет специальные «вампиры» для закрепления на кабеле; на 10Base2 (BNC) — трансивер-переходник для подключения сегмента на тонком коаксиальном кабеле; на 10Base-T (RJ-45) — трансивер для подключения витой пары; на 10Base-FL (две оптические розетки ST) — оптический трансивер для подключения волоконно-оптического кабеля (ВОК). Особенностью трансиверов ВОК и на витую пару является потенциальная поддержка дуплексного режима работы.

Основными поставщиками оптических трансиверов на российском рынке являются фирмы Allied Telesyn [7], NBase [8], SVEC [9], Surecom [10], Transition Networks [11]. Фирма NBase поставляет наиболее широкий спектр оптических трансиверов, от многомодовых с расстоянием до 2 км до одномодовых с расстоянием до 110 км (таблица 3 Технические характеристики волоконно-оптических интерфейсов трансиверов NX300FO производства фирмы NBase).

Таблица 3.

Оптические конвертеры Ethernet UTP (10Base-T/10Base-FL, 10Base2/10Base-FL).

Оптические конвертеры обеспечивают преобразование электрического сигнала из витой пары и тонкого коаксиального кабеля в оптический сигнал, идущий по многомодовому или одномодовому волокну. Конвертер, в отличие от трансивера, должен иметь свой отдельный блок питания. Конвертеры выпускаются как в виде отдельной небольшой коробочки с внешним блоком питания, так и в виде шасси 19″, которое может наполняться разнообразными конвертерными модулями. Исполнение в виде шасси особенно удобно при обустройстве центральных оптических узлов сетей с топологией звезды. Разнообразные модули позволяют подключаться как по многомодовому, так и по одномодовому ОВ, как по Ethernet, так и по Fast Ethernet. Для повышения надежности, шасси некоторых производителей имеют резервное питание.

Конвертеры 10Base-T/10Base-FL сразу преобразовывают манчестерский электрический код на входе в манчестерский оптический сигнал на выходе и наоборот, внося минимальную задержку (1−3 бита). Большинство конвертеров могут поддерживать как полудуплексную, так и дуплексную связь, причем в первом случае в устройство внедряется специальный узел обнаружения коллизий. Но фактически, даже при наличии коллизий, канал связи остается дуплексным, а работа устройства не выходит за пределы уровня MDI.

Особенностью оптических конвертеров Ethernet BNC (10Base2/10Base-FL), которые подключаются к коаксиальному сегменту обычно вместо терминатора, является ретрансляция сигнала коллизии в коаксиальный сегмент. Сигнал коллизии генерируется и передается в коаксиальный сегмент всякий раз, когда на конвертер приходят одновременно данные из коаксиального и волоконно-оптического сегментов, или приходит сигнал коллизии по коаксиальному сегменту. В последнем случае говорят, что сигнал коллизии отражается конвертером обратно в коаксиальный сегмент. Фактор отражения приводит к эффективному увеличению длины сегмента в два раза и запрещает установку на обе стороны коаксиального сегмента рассматриваемых конвертеров — с одной стороны обязательно должен быть стандартный терминатор 50 Ом.

Крупными зарубежными производителями оптических конвертеров Ethernet на витую пару являются компании: Adaptec[13], IMC [14], LANCAST, NBase, NetOptics [15], FOCI и др. Крупными поставщиками отечественных конвертеров в России являются компании Ай-Ти, «Вимком-Оптик», СКВ ИРЭ, `Телеком-Комплект-Сервис" .

Рабочая станция, сетевая карта Персональный компьютер (файл-сервер) обычно подключается к сети с помощью сетевой карты или сетевого адаптера NIC (network interface controller, network interface card). Такой компьютер становится сетевой рабочей станцией. Далее также будет использоваться термин сетевой узел DTE (data termination equipment, оконечное оборудования данных).

Простейший способ объединения рабочих станций в сеть (без привлечения других специализированных сетевых устройств) осуществляется на основе тонкого коаксиального кабеля — соответствующие сетевые карты должны иметь порты ВМС. Однако этот способ подключения, а также способ подключения посредством толстого коаксиального кабеля через специальные трансиверы являются устаревшими и преимущественно используются лишь там, где еще сохранились коаксиальные кабельные системы. Наиболее распространенным интерфейсом считается интерфейс RJ-45 на витую пару (тип MDI). Другой интерфейс AUI может использоваться для подключения трансивера Ethernet. В частности, можно использовать оптический трансивер, если рабочая станция удалена на большое расстояние от концентратора или коммутатора.

Волоконно-оптический интерфейс также может непосредственно поддерживаться сетевой картой Ethernet. Каждая сетевая карта Ethernet имеет уникальный номер — МАС-адрес размером 6 байт, который зашит внутрь, и который не может быть изменен. Первые три байта поля служат для идентификации производителя сетевой карты, а последние три байта составляют уникальный номер конкретной сетевой карты.

Повторитель (концентратор).

Повторитель (repeater, в сетях Ethernet чаще используют другой термин — концентратор (hub)) — многопортовое устройство, которое позволяет объединить несколько сегментов. Принимая кадр или сигнал коллизии по одному из своих портов, повторитель перенаправляет его во все остальные порты, рис. 6 а (схема работы повторителя). Типы интерфейсов портов могут быть любые из вышеперечисленных. Распространены устройства с несколькими портами на витую пару (12, 16 и 24 порта RJ-45), одним портом BNC и одним портом AUI. Также популярны миниатюрные повторители, имеющие только порты на витую пару (4RJ-45, или 8RJ-45). Отметим, что повторители Ethernet работают на физическом уровне модели OSI (рис. 6,6 б, структурная схема портов в плане модели OSI), что обеспечивает их низкую стоимость и выгодно этим отличается от концентраторов FDDI (DAC, SAC, NAG), которые охватывают также уровень MAC (нижний подуровень канального уровня модели OSI).

а б Рис. 6.

Порты RJ-45 типа MDI и MDI-X. Порт RJ-45 имеет 8 контактов. Кабель называется прямым, когда контакты 1−8 порта RJ-45 на одной стороне соединены с соответствующими контактами на другой стороне. Соединение прямым кабелем можно осуществлять только между разными типами портов. При этом кабель представлен четырьмя витыми парами, которые принято нумеровать следующим образом: пара 1 — контакты 1, 2; пара 2 — контакты 3, 6; пара 3 — контакты 4, 5; пара 4 — контакты 7, 8.

В стандарте 10Base-T для передачи используются только две витые пары кабеля: 1 и 2, остальные две не задействованы. Интерфейс MDI (или DTE) имеет устройство, которое осуществляет передачу по паре 1 и соответственно прием по паре 2. И наоборот, интерфейс MDI-X имеет устройство, которое осуществляет передачу по паре 2 и соответственно прием по паре 1. Для соединения двух однотипных портов RJ-45 прямой кабель не годится. Вместо него используется кросс-кабель, который обеспечивает соединение контактов 1−3, 2−6, 3−1, 6−2, 4−4, 5−5, 7−7, 8−8.

Большинство RJ-45 портов повторителей делаются типа MDI-X, что позволяет подключать рабочие станции при помощи прямого кабеля. Для удобства обычно один порт повторителя имеет переключатель и может поддерживать режим MDI. Так, в конфигурации сети на рис. 7 связь между повторителями 1 и 2, а также 3 и 2 можно осуществить прямым кабелем, если соответствующие порты RJ-45 повторителей 1 и 3 переключить в режим MDI, (порты повторителя 2 стандартные MDI-X).

Jabber-функция. Каждому узлу сети Ethernet отводится определенное время, в течение которого он должен передать кадр. В нормальных условиях, когда нет коллизий, кадр максимальной длины 1518 байт передается рабочей станцией в течение 1,2 мс. Затем в течение времени межкадрового интервала линия остается свободной. При сильной загруженности сегмента (большое число станций пытаются передавать одновременно, и велико число коллизий) время, в течение которого линия может быть занята, сильно возрастает. Если такой загруженный сегмент подключен к одному из портов повторителя и инициирует длительный сигнал без замолкания (jabber signal — дословно, болтовня), то повторитель прекратит ретрансляцию данных и коллизий из этого сегмента в другие сегменты, таким образом полностью исключив перегруженный сегмент. Для этой цели концентратор поддерживает специальную jabber-функцию. Стандартом установлено не конкретное время срабатывания, а окно приема непрерывного сигнала от 20 до 150 мс, при котором концентратор должен исключать «плохой» сегмент. Jabber-функция — полезное свойство повторителя, на основе которой последний может исключать как перегруженный коллизионный сегмент, так и неисправный сегмент, или неисправную станцию, которые передают длительный сигнал, и, тем самым, предоставляет возможность работать пользователям, подключенным к другим портам [16].

Отметим, что хотя витая пара (10Base-T) и двухволоконный оптический кабель (10Base-FL) являются дуплексными средами, т. е. передача и прием сигнала происходят по независимым каналам, сам по себе повторитель Ethernet не позволяет обеспечить дуплексную передачу и создает вокруг себя коллизионный момент. При этом сеть функционирует так, как будто реализована шинная топология. Сигнал коллизии передается концентратором во все порты, всякий раз, когда на какие-либо его два порта одновременно или почти одновременно начинают поступать данные. Из-за этого пропускная способность концентратора не может быть выше 10 Мбит/с.

Обнаружение коллизий при физической топологией типа «звезда» (стандарты 10Base-T и 10Base-FL) с использованием повторителей несколько отличается от случая, когда используется физическая топология «шина» (стандарты 10Base2 и 10Base5). Поскольку каналы связи по витой паре и по ОВ дуплексные, то накладка сигналов от разных передающих устройств, свойственная коаксиальной кабельной системе и приводящая к изменению постоянной составляющей электрического потенциала в канале связи, исключена. Сигнал коллизии должен специально генерироваться устройством или устройствами, которые обнаружили коллизию. Процедура обнаружения коллизий при физической топологии «звезда» с несколькими повторителями в сети, когда узлы подключены по витой паре или по двухволоконному оптическому кабелю изображена на рис. 7.

А Б.

в Рис. 7.

Если передает только один узел (А), то каждый повторитель ретранслирует каждый получаемый кадр во все остальные свои порты (рис. 7 а). Все остальные узлы коллизионного домена регистрируют передачу кадра, но только один узел, а именно тот, которому адресован кадр (собственный МАС-адрес совпадает со значением поля «адрес назначения»), принимает кадр, и далее передает его содержимое протоколу более высокого уровня. Коллизий нет.

Если два узла (например, А и В) начинают передачу одновременно или почти одновременно, то коллизию обнаруживает повторитель 1 (рис. 7 б), который после этого во все свои порты выдает сигнал наличия коллизии СР (collision presence). Передаваемые узлы, А и В обнаруживают коллизию, поскольку принимают другие сигналы во время своих собственных передач, после чего отменяют передачу своих кадров, передают сигналы jam и затем замолкают. Повторитель 1 прекращает передавать сигнал СР, когда на его входные порты перестают поступать сигналы. Повторитель 2, получая сигнал СР от концентратора 1, транслирует его во все остальные порты. То же самое делает повторитель 3.

На рис. 7 в показан пример разрешения коллизии при передаче трех узлов А, В и Е. Зафиксирован момент, когда повторитель 2 уже обнаружил сигнал коллизии CР от повторителя 1 и передачу кадра от узла Е. Поэтому повторитель 2 выдает выходной сигнал СР во все порты. Повторитель 1, получая сигнал по трем портам, выдает сигнал СР во все свои порты.

Итак, повторитель работает следующим образом (рис. 7):

• — когда повторитель получает кадр или сигнал СР только на один из своих портов, он транслирует кадр или сигнал СР во все остальные порты (трансляция в остальные порты идет только до тех пор, пока поступают данные на один из портов);
• — когда повторитель получает кадры или сигналы СР по двум или более портам, он транслирует сигналы СР во все порты без исключения (трансляция во все порты сигналов СР идет только до тех пор, пока поступает сигнал на два или более портов).

Коммутатор

Коммутатор — многопортовый мост, работающий на втором канальном уровне OSI модели. Его главное назначение — обеспечение разгрузки сети посредством локализации трафика в пределах отдельных сегментов.

Структурной особенностью коммутатора является архитектура без блокирования (non-blocking), которая позволяет установить одновременные множественные связи Ethernet между разными парами портов, причем кадры не теряются в процессе коммутации. Сам трафик между взаимодействующими сетевыми устройствами остается локализованным, что реализуется адресными таблицами, устанавливающими связь каждого порта с адресами сетевых устройств, относящихся к сегменту этого порта, рис. 8 (архитектура Ethernet коммутатора [16]).

Рис. 8.

Таблица заполняется в процессе анализа коммутатором адресов станций-отправителей в передаваемых ими кадрах. Кадр передается через коммутатор локально в соответствующий порт только тогда, когда адрес станции назначения, указанный в поле кадра, уже содержится в адресной таблице этого порта. В случае отсутствия адреса станции назначения в таблице, кадр рассылается во все остальные сегменты. Если коммутатор обнаруживает, что МАС-адрес станции назначения у приходящего кадра находится в таблице МАС-адресов, приписанной за портом, по которому пришел данный кадр, то этот кадр сбрасывается — его непосредственно получит станция назначения, находящаяся в том же сегменте. И наконец, если приходящий кадр является широковещательным (broadcast), т. е. если все биты поля МАС-адреса получателя в кадре задаются равными 1, то такой кадр будет размножаться коммутатором (подобно концентратору), т. е. направляться во всё остальные порты.

Различают две альтернативные технологии коммутации кадров (рис. 9):

абез буферизации (cut-through, также используется термин on-the-fly — на лету);

б — с буферизацией SAF (store-and-forward, также используется термин buffered switchingбуферная коммутация).

А.

б Рис. 9.

Коммутатор, работающий без буферизации (рис. 9 а), практически сразу же после чтения заголовка, а именно МАС-адреса станции получения и выполнения идентификации, перенаправляет получаемый кадр в нужный порт, не дожидаясь его полного поступления (задержка пакета при переадресации составляет у наиболее быстрых коммутаторов 140−150 ВТ, т. е. 1,4−1,5 мкс). Главный недостаток — в том, что такой коммутатор будет пропускать из одной сети в другую дефектные кадры, так как выявление ошибок может происходить только после чтения всего кадра и сравнения рассчитанной контрольной суммы с той, которая занесена в поле контрольной последовательности кадра. Распространение ошибок в большей степени касается сетей Ethernet с более, чем одним подключенным пользователем на порт. В этом случае протокол Ethernet может генерировать как укороченные, так и поврежденные кадры, поскольку коммутатор не может предвидеть возникновение коллизий в сегменте, из которого поступает кадр.

Современные коммутаторы cut-through используют более прогрессивный метод коммутации, который носит название ICS (interim cut-through switching — промежуточная коммутация на лету). В этом случае отфильтровываются укороченные кадры (с длиной меньше 64 байт — 512 бит). До тех пор пока коммутатор не принял первые 512 бит кадра, он не начинает ретранслировать кадр в соответствующий порт. Если кадр заканчивается раньше, то содержимое буфера очищается, кадр отфильтровывается. Несмотря на увеличение задержки до 512 ВТ и более (> 5,12 мкс), метод ICS значительно лучше традиционного cat-through, поскольку не пропускает укороченные кадры. К главному недостатку ICS относится возможность пропускания дефектных пакетов длиной, больше 64 байт. Поэтому коммутаторы ICS не годятся на роль магистральных коммутаторов.

Коммутатор рис. 9 б, прежде чем начать передачу кадра в порт назначения, полностью принимает его, сохраняет в буфере до тех пор, пока анализируется адрес назначения (destination address, DA) и сравнивается контрольная последовательность кадра FCS, после чего коммутатором принимается решение о том, в какой порт перенаправить кадр или вообще его отфильтровать. Таким образом, коммутации с буферизацией гарантирует передачу только «хороших» кадров. Коммутаторы с портами, работающими на разных скоростях, например Ethernet и Fast Ethernet, равно как и коммутаторы-мосты Ethernet-FDDI могут работать только на основе технологии коммутации с буферизацией. Максимальную задержку имеет кадр наибольшей длины 1512 байт (151 264 = 96 768 ВТ 1 мс). Однако недостаток, связанный с задержкой кадра на время буферизации, не считается критичным, поскольку идет непрерывный поток кадров. Более того, основная причина задержки связана с пакетными очередями при буферизации на входных и выходных портах коммутатора. Поэтому в настоящее время большее предпочтение со стороны фирм-производителей отдается этой технологии коммутации.

Обратное давление. Входные и выходные буферы требуются коммутатору, чтобы уменьшить количество теряемых кадров при перегруженности одного из выходных портов. Однако это не решает проблемы при длительных передачах. Например, если в порт 1 постоянно передаются данные из портов 2, 3, 5 и скорости передачи по всем портам одинаковые (равны скорости канала), то после заполнения соответствующих буферов кадры начнут теряться — коммутатор будет просто сбрасывать вновь входящие кадры по портам 2, 3 и 5. Потери пакетов означают, что посредством протокола более высокого уровня (например, на уровне сессий для протокола TCP/IP), будет производиться повторная передача кадров, Но поскольку в протоколе функционируют конечные устройства, то времена между первоначальной и повторной передачами кадра могут быть большими. Для предотвращения этого современные коммутаторы обладают функциональной возможностью контроля и управления потоками (flow control) поступающих в порты кадров. Для коммутаторов Ethernet эта функция известна как обратное давление (ВР, back pressure), рис. 10. Ограниченность выходного каналa по порту 1 приводит к заполнению входных буферов на портах 2, 3 и 5. Узел ВР коммутатора, обнаруживая это, начинает передачу пустых кадров в те каналы, от которых переполнялся входные буферы портов. Так, если переполняется входной буфер по порту 2, то пустые кадры коммутатор шлет в сегмент В, «сознательно» создавая коллизии в этом сегменте, в результате которых уменьшается поток кадров от передающего устройства в этом сегменте.

Рис. 10.

Вместо генерации холостых кадров при отработке механизма обратного давления в коммутаторах может использоваться генерация сигнала затянувшейся передачи, причем последний метод считается более эффективным средством от потери кадров. Отметим, что механизм обратного давления можно реализовать исключительно в коммутаторах Ethernet, поскольку этот механизм напрямую использует возможности протокола CSMA/CD.

Порты RJ-45 коммутаторов обычно делают типа MDI-X.

Современные коммутаторы имеют множество дополнительных возможностей, среди которых: фильтрация по МАС-адресам, построение виртуальных сетей, функция контроля потока, автоконфигурирование порта 10Base-T/100Base-TX, поддержка дуплексного режима передачи.