Головна
Технологии локальных сетей
1. Стандарты IEEE 802
Стандарты семейства IEEE 802.x (рис.1.1.) охватывают физический и канальный уровни модели OSI, так как именно эти уровни в наибольшей степени отражают специфику локальных сетей. Согласно стандартам 802.х канальный уровень разделён на два подуровня:
· подуровень логической передачи данных (Logical Link Control, LLC).
· подуровень управления доступом к среде (Media Access Control, MAC).
 |
|
Рис. 1.1
|
Подуровень LLC реализует функции интерфейса с прилегающим к нему сетевым уровнем.
MAC-уровень управляет доступом к среде. Этот уровень появился из-за использования в локальных сетях разделяемой среды передачи данных.
1.2. Алгоритмы доступа к среде
Алгоритмы доступа к среде можно разделить детерминистические и недетерминистические. В случае использования детерминистических алгоритмов доступ осуществляется в порядке очерёдности, что позволяет выделить каждому компьютеру в сети гарантированную полосу пропускания.
В случае применения недетерминистических алгоритмов каждый компьютер может получить доступ к среде передачи в любой момент времени, когда среда передачи свободна. При этом высока вероятность коллизии, т.е. ситуации, когда два или более устройств, подключенных к общей среде, начинают одновременно передавать данные. В результате наложения сигналов при коллизии данные теряются, и устройства вынуждены повторять передачу заново. Из-за наличия коллизий полезная полоса пропускания составляет не более 60-70% полосы пропускания среды передачи. При попытке увеличить использование среды передачи количество коллизий будет возрастать, что уменьшит полезную полосу пропускания.
1.3. Сети Token Ring и FDDI.
Сети Token Ring и FDDI основаны на детерминистических алгоритмах. Token Ring строится на основе кольцевой топологии (рис.1.2).
 |
|
Рис. 1.2
|
Передача данных возможна только по кольцу от 1-го узла ко 2-му, от 2-го к 3-му и так далее. В том случае, если передача данных не осуществляется, в сети циркулирует фрейм особого формата – маркер (token). Если компьютер должен передать фрейм данных, он ожидает получения маркера. Получив маркер, компьютер вместо маркера отправляет фрейм данных по кольцу, который передаётся к получателю, а далее от получателя к отправителю. Получив отправленный ранее фрейм, отправитель возвращает маркер в сеть. После этого право на передачу фрейма данных может быть получено другим компьютером, перехватившим маркер. Таким образом, право на передачу данных поочерёдно переходит от одного компьютера к другому. Полоса пропускания сетей Token Ring – 4 и 16 Мбит/с, количество компьютеров в одном логическом кольце – до 240.
Сети FDDI также построены на основе маркерного доступа. В сетях FDDI используется два кольца – основное и резервное (рис.1.3) длиной 100км. В случае обрыва основного кольца происходит объединение двух колец в одно. При последующих обрывах сеть распадается на изолированные сегменты.
|
 |
|
Рис. 1.3
|
|
Отсутствие коллизий обусловило популярность Token Ring 15-20 лет назад. Но с дальнейшим развитием Ethernet стал доминирующей технологией ЛВС. В настоящее время сети FDDI и Token Ring практически не используются.
1.4. Основы технологии Ethernet
Адресация в сетях Ethernet. Широковещательный фрейм и широковещательный домен
В сетях Ethernet используется плоская (flat), или неирерархическая адресная схема. MAC-адрес заносится в ПЗУ сетевой карты производителем. Длина MAC-адреса составляет 48 бит. Адрес состоит из 2 частей по 24 бита – идентификатор производителя (Organizational Unique Identifier - OUI) и серийного номера. OUI является уникальным для каждого производителя и назначается специальным комитетом IEEE. Серийный номер сетевой карты назначается производителем. Каждая сетевая карта идентифицируется уникальным MAC-адресом, и не может быть двух сетевых карт с одинаковым MAC-адресом. Для записи MAC-адресов используют шестнадцатеричную форму, например 00-00-1C-D5-F7-1E или 00:00:1C:D5:F7:1E.
Блок адресов от 01:00:5E:00:00:00 до 01:00:5E:7F:FF:FF в сетях Ethernet используется для обеспечения групповой рассылки (мультикастинга).
Широковещательный адрес состоит из одних единиц, и в шестнадцатеричном представлении выглядит следующим образом: FF-FF-FF-FF-FF-FF. Широковещательным доменом (англ. broadcast domain) называется логический участок компьютерной сети, в котором каждое устройство может передавать данные непосредственно любому другому устройству используя широковещательный адрес. Широковещательный фрейм, отправленный одним компьютером, доставляется всем остальным компьютерам в пределах широковещательного домена.
Формат фрейма Ethernet II
В сетях Ethernet существует 4 типа фреймов: кадр 802.3/LLC (или кадр Novell 802.2), кадр Raw 802.3 (или кадр Novell 802.3), кадр Ethernet DIX (или кадр Ethernet II), кадр Ethernet SNAP.
Большинство устройств Ethernet умеет работать со всеми вышеупомянутыми форматами фреймов. Чаще всего используется фрейм Ethernet II (рис.1.4.), описание которого приведено ниже.
 |
|
Рис. 1.4
|
· Преамбула состоит из восьми байт синхронизирующих данных. Первые семь байт содержат последовательность 10101010, а последний байт - 10101011.
· Адрес получателя - MAC-адрес получателя.
· Адрес отправителя - MAC-адрес отправителя.
· Тип протокола – содержит код протокола, использующего фрейм для передачи данных. Например, значение 0x0800 соответствует протоколу IP, т.е. если значение данного поля равно 0x0800, то это означает, что в поле данных фрейма содержится IP-пакет.
· Поле данных – может содержать от 0 до 1500 байт. Если длина поля меньше 46 байт, то используется поле заполнения, чтобы дополнить кадр до минимально допустимой длины.
· Поле заполнения обеспечивает определенную минимальную длину поля данных (46 байт). Это необходимо для корректной работы механизма обнаружения коллизий. Если длина поля данных достаточна, то поле заполнения не используется.
· Поле контрольной суммы (FCS – Frame Check Sequence)- 4 байта, содержащие значение, которое вычисляется по определенному алгоритму (полиному CRC-32). Используется для проверки целостности фрейма.
Алгоритм доступа к среде CSMA/CD
В сетях Ethernet используется метод доступа к среде передачи данных, называемый методом множественного доступа с опознаванием несущей и обнаружением коллизий CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection, CSMA/CD), блок-схема которого приведена на рис.1.5.
 |
|
Рис. 1.5
|
Все компьютеры такой сети имеют непосредственный доступ к общей среде передачи, поэтому она может быть использована для передачи данных между любыми двумя узлами сети. В качестве среды передачи рассмотрим коаксиальный кабель, который работает в режиме коллективного доступа (рис.1.6.).
 |
|
Рис. 1.6
|
Любой компьютер имеет право начать передачу фрейма в любой момент времени, при условии, что среда передачи свободна. Непосредственно перед отправкой фрейма передающая станция слушает кабель, чтобы обнаружить, не передаются ли данные по кабелю. Если опознается несущая, то станция откладывает передачу своего фрейма до окончания чужой передачи. После окончания чужой передачи станция должна выждать паузу, называемую межкадровым интервалом (interframe gap), и после этого начать передачу своего кадра. Межкадровый интервал должен быть не менее 96 битовых интервалов.
Любой сетевой адаптер, подключенный к разделяемой среде, принимает все фреймы, отправляемые его соседями. Приняв фрейм, компьютер сравнивает свой MAC-адрес с MAC-адресом получателя, содержащимся в заголовке фрейма. Если MAC-адрес компьютера совпадает с MAC-адресом получателя, то компьютер записывает фрейм во внутренний буфер.
После этого осуществляется проверка целостности фрейма по CRC. Получатель рассчитывает контрольную сумму по полям фрейма, и сравнивает полученное значение со значением, содержащимся во фрейме. Если значение CRC, рассчитанное получателем, совпадает со значением CRC, содержащимся во фрейме, то фрейм считается неповреждённым. Если эти значения не совпадают, фрейм считается повреждённым. Если фрейм не повреждён, то содержимое поля данных фрейма передаётся на сетевой уровень для дальнейшей обработки. Если фрейм повреждён, то он удаляется из буфера, при этом никаких уведомлений об ошибке получатель не отправляет. Повторная передача утерянных данных возлагается на протоколы более высоких уровней. Поэтому Ethernet является сетью, которая работает в режиме негарантированной доставки. Отсутствие механизмов исправления ошибок на канальном уровне компенсируется использованием надёжных высокоскоростных каналов.
Попытка одновременной передачи фрейма более чем одним компьютером приводит к состоянию коллизии и искажению фрейма (рис.1.7.).
 |
|
Рис. 1.7
|
Для увеличения вероятности немедленного обнаружения коллизии всеми компьютерами сети, ситуация коллизии усиливается посылкой в сеть компьютерами, начавшими передачу своих кадров, специальной 32 битовой последовательности, называемой jam-последовательностью.
После обнаружения коллизии и передачи jam-последовательности передающий компьютер обязан прекратить передачу и ожидать в течение короткого случайного интервала времени, по истечении которого снова осуществить попытку передачи кадра. Максимальное количество попыток передачи фрейма равно 16. Если после 16 попыток фрейм передать не удалось, отправитель прекращает попытки передачи фрейма.
Основные параметры процедуры передачи фрейма
Значения основных параметров процедуры передачи фрейма приведено в таблице 1.1.
Таблица 1.1
|
Интервал отсрочки (slot time) |
512 битовых интервалов |
|
Межкадровый интервал |
96 битовых интервалов |
|
Максимальное число попыток передачи |
16 |
|
Длина jam-последовательности |
32 бита |
|
Максимальная длина кадра (без преамбулы) |
1518 байтов |
|
Минимальная длина кадра (без преамбулы) |
64 байта (512 бит) |
|
Длина преамбулы |
64 бита |
|
MTU |
1500 байт |
Slot time - это время, в течение которого станция гарантированно может узнать, что в сети нет коллизии. Это время тесно связано с другим параметром сети - окном коллизий (collision window). Окно коллизий равно времени двукратного прохождения сигнала между самыми удаленными узлами сети, т.е. времени двойного оборота - наихудшему случаю задержки, при которой станция еще может обнаружить, что произошла коллизия. Интервал отсрочки выбирается равным величине окна коллизий плюс некоторая дополнительная величина задержки.
Если какая-либо передающая станция не распознает коллизию, то этот фрейм будет утерян. Потерянные данные могут быть повторно переданы каким-либо протоколом верхнего уровня, работающим с установлением соединения. Но повторная передача сообщения протоколами верхних уровней произойдет через гораздо более длительный интервал времени. Поэтому, если коллизии не будут надежно распознаваться, то это приведет к заметному снижению полезной пропускной способности данной сети.
Ограничения на размер сети
Размер сети ограничен, что прежде всего обусловлено:
- ограничением на размер физического сегмента из-за затухания сигнала в кабеле.
- алгоритмом доступа к среде. Для устойчивого обнаружения коллизий время передачи фрейма минимальной длины должно быть больше времени двойного оборота.
Исходя из принятой минимальной длины фрейма 64 байта максимальное расстояние между двумя любыми узлами сети не должно превышать 2500 метров для скорости 10 Мбит/с и 250м для скорости 100Мбит/с.
Количество узлов, подключенных к одному кабелю, согласно стандарту не должно превышать 1024. Практически в одном домене коллизий не должно быть более 10 компьютеров. Кроме того, каждому варианту технологии Ethernet могут быть присущи свои ограничения.
1.5. Устройства сетей Ethernet
Повторители
Повторитель (англ. repeater) является устройством физического уровня. Повторитель принимает входные импульсы, восстанавливает их, и передает вновь сформированные импульсы в следующий сегмент (рис.1.8.).
 |
|
Рис. 1.8
|
Также в следующий сегмент передаётся состояние коллизии. Никакого изменения или анализа поступающих данных не производится. Задержка сигнала повторителем не должна превышать 7,5 битовых интервалов.
Хабы
Сетевой концентратор или хаб (англ. hub) - это многопортовый повторитель.
Битовые импульсы, поступающие на порт хаба, хаб восстанавливает и передаёт на все остальные порты. Также хаб передаёт на все свои порты состояние коллизии.
Физические сегменты, объединённые при помощи хабов и повторителей, являются разделяемой средой передачи данных. Сеть, построенная только на хабах и повторителях, является одним большим доменом коллизий с присущими ему недостатками. Современные сети Ethernet строятся преимущественно на коммутаторах.
Мосты. Алгоритм работы моста
Мост (bridge) является устройством канального уровня, т.е. “понимает” формат фреймов. Мост используется для объединения двух сегментов сети. Во включённом состоянии мост формирует таблицу MAC-адресов (рис.1.9), каждая запись которой содержит MAC-адрес и номер порта моста, через который должен быть отправлен фрейм, чтобы он попал на компьютер с данным MAC-адресом. Таблица MAC-адресов формируется на основе изучения поля “адрес отправителя”, содержащегося в заголовках фреймов, поступающих на порты моста. Например, если компьютер A отправит фрейм, то мост принимает этот фрейм на порт 1 и заносит в таблицу MAC-адресов информацию о том, что для отправки фрейма на компьютер А его нужно передать через порт 1.
 |
 |
|
Рис. 1.9
|
Если в одном из подключенных к мосту сегментов осуществляется передача фрейма, то мост принимает этот фрейм и проверяет контрольную сумму. Если фрейм не повреждён, осуществляется анализ адресов отправителя и получателя по таблице MAC-адресов. Если отправитель и получатель находятся в одном сегменте, то фрейм мостом никуда не передаётся. Если отправитель и получатель находятся в разных сегментах, фрейм передаётся в следующий сегмент. Если мост не находит MAC-адрес получателя в таблице MAC-адресов, то фрейм передаётся в следующий сегмент. Широковещательный фрейм также передаётся в следующий сегмент.
Состояние коллизии мостом не передаётся. Таким образом, при помощи моста можно разбить (сегментировать) один домен коллизий на два, что позволяет повысить производительность сети.
Коммутаторы
Коммутатор (англ. switch) можно рассматривать как многопортовый мост. Коммутатор формирует таблицу MAC-адресов, на основании которой принимает решение о перенаправлении фрейма (рис.1.10.).
 |
 |
|
Рис. 1.10
|
Если отправитель и получатель находятся в одном сегменте, то фрейм никуда не передаётся. Если отправитель и получатель находятся в разных сегментах, коммутатор передаёт фрейм в соответствующий сегмент. Если MAC-адрес получателя в таблице MAC-адресов не найден, то коммутатор отправляет фрейм через все свои порты кроме того порта, на который этот фрейм принят. Широковещательный также передаётся во все сегменты, подключенные к коммутатору за исключением того сегмента, из которого этот широковещательный фрейм поступил. Состояние коллизии коммутатор не передаёт, что позволяет сегментировать домен коллизий.
Если фрейм должен быть отправлен через занятый в настоящий момент порт, коммутатор этот фрейм буферизует в своей памяти и отправляет позднее, когда порт освободится.
Принципиальным отличием сетей, построенных на основе коммутаторов без применения хабов и репитеров, является отсутствие коллизий и возможность достижения полнодуплексного режима работы. В сетях Ethernet, использующих в качестве среды передачи витую пару, передача и приём данных осуществляются по разным парам. В сетях Ethernet, использующих в качестве среды передачи оптоволокно, передача и приём данных осуществляются по разным волокнам. Если построить сеть таким образом, чтобы каждый компьютер был подключён к отдельному порту коммутатора, то в такой сети нет коллизий и возможна одновременная передача и приём данных, т.е. работа в полнодуплексном режиме. В таком случае передачу данных между двумя компьютерами через коммутируемую сеть можно рассматривать как создание виртуального соединения точа-точка между двумя компьютерами, что называется микросегментацией.
Коммутатор – сложное устройство. Для обеспечения более тонкой настройки производятся т.н. интеллектуальные (managable) коммутаторы, параметры настройки которых можно программно изменять.
1.6. Основные разновидности Ethernet
1.6.1. На скорости 10Мб/с
10Base-5
Стандарт 10Base-5 использует в качестве среды передачи данных т.н. “толстый” коаксиальный кабель ("толстый" Ethernet). Сегмент кабеля имеет максимальную длину 500 м и должен иметь на концах терминаторы (заглушки) сопротивлением 50 Ом, препятствующие возникновению отраженных сигналов (рис.1.11).
 |
|
Рис. 1.11
|
Компьютер подключается к кабелю при помощи трансивера, который устанавливается непосредственно на кабеле и питается от сетевого адаптера. Трансивер соединяется с сетевым адаптером интерфейсным кабелем AUI (Attachment Unit Interface) длиной до 50 м, состоящим из 4 витых пар.
К достоинствам 10Base-5 относятся сравнительно большое расстояние между узлами. К недостаткам следует отнести высокую стоимость кабеля и сложность его прокладки. В случае повреждения кабеля вся сеть становится неработоспособной.
При помощи повторителей допускается последовательное соединение до 5 физических сегментов. Для сетей 10Base-5 действует правило 5-4-3, которое гласит: можно объединить 5 физических сегментов при помощи 4 повторителей, при этом только 3 сегмента могут быть нагруженными.
В настоящее время сети 10Base-5 практически не используются.
10Base-2
Стандарт 10Base-2 использует в качестве передающей среды коаксиальный кабель со внешним диаметром около 5 мм ("тонкий" Ethernet). Максимальная длина физического сегмента 185 м, сегмент должен иметь на концах согласующие терминаторы 50 Ом.
Станции подключаются к кабелю с помощью T-коннектора, представляющего собой тройник, один отвод которого соединяется с сетевым адаптером, а два других - с двумя концами разрыва кабеля. В сети 10Base-2 трансиверы объединены с сетевыми адаптерами. Кабель "висит" на сетевом адаптере, что затрудняет физическое перемещение компьютеров.
10Base-2 является простым и дешёвым решением. Однако в кабеле имеется большое количество механических соединений, из-за чего высока вероятность нарушения электрического контакта в кабеле и прекращения работы сети.
Для сетей 10Base-2 также актуально правило 5-4-3. В настоящее время сети 10Base-2 практически не используются.
10Base-T
Использует в качестве среды передачи UTP CAT 3 и выше. Максимальная длина физического сегмента 100м. В полнодуплексном режиме возможна одновременная приём и передача данных, т.е. предоставляется полоса фактически 20Мбит/с. Каждый компьютер соединяется с хабом или коммутатором отдельным кабелем
 |
|
Рис. 1.13
|
Одна пара используется для передачи данных (выход Tx), а другая для приёма данных (вход Rx). Хаб обнаруживает коллизию в случае одновременной передачи сигналов по нескольким своим Rx входам и посылает jam-последовательность на все свои Tx выходы.
Возможно иерархическое соединение хабов, при этом число хабов между любыми двумя станциями сети не должно превышать четырёх (правило четырёх хабов). Общее количество станций в сети 10Base-T не должно превышать 1024, но на практике количество компьютеров в одном домене коллизий не должно превышать 10.
1.6.2. 100Мб/с (FastEthernet)
Особенности FastEthernet
Главным отличием сетей FastEthernet является увеличение скорости передачи данных и соответствующее изменение временных параметров. В целях совместимости для сетей FastEthernet используется тот же формат фреймов и алгоритм доступа к среде, что и для 10Мбит/с Ethernet.
Из-за уменьшения времени передачи фрейма минимальной длины размер сети для полудуплексного режима уменьшается до 250м. Правило 5-4-3, и правило 4-х хабов для FastEthernet недействительны. Существует 2 типа хабов FastEthernet – категории I и категории II. Допускается объединение до 2-х хабов категории II, при этом длина соединительного кабеля не должна превышать 5м.
100Base-TX
Наиболее распространённая разновидность сетей Ethernet. В качестве среды передачи данных используется UTP категории не ниже 5. Максимальная длина физического сегмента 100м. Поддерживается полнодуплексный режим.
100Base-T4
Стандарт был разработан с целью обеспечить дешёвый переход к FastEthernet в сетях, где использовалась кабельная инфраструктура категории 3. В качестве среды передачи данных позволяет использовать UTP CAT 3. Для передачи данных используются 3 пары, одна пара используется для передачи состояния коллизии. Полнодуплексный режим не поддерживается.
100Base-FX
В качестве среды передачи используется многомодовое оптоволокно 62.5/125 мкм. Максимальная длина сегмента 412 метров в полудуплексном и более 2 км в полнодуплексном режимах. Используется два волокна, одно на приём, другое на передачу. Поддерживается полнодуплексный режим.
1.6.3. 1Гбит/с - Gigabit Ethernet
Особенности Gigabit Ethernet
Стандарт Gigabit Ethernet совместим со стандартами Ethernet и Fast Ethernet. Сохраняются все форматы кадров Ethernet. Существует как полудуплексная версия стандарта, поддерживающая CSMA/CD, так и полнодуплексная версия, работающая с коммутаторами.
При скорости 1000Мбит/с диаметр сети в полудуплексном режиме сократится до 25м, что неудовлетворительно. Для увеличения максимального диаметра сети Gigabit Ethernet в полудуплексном режиме до 200м интервал отсрочки был увеличен до 4096 битовых интервалов (512 байт). Для этого сетевой адаптер при необходимости добавляет к фрейму дополнительное поле, названное «расширение носителя» (carrier extension). Если размер кадра меньше 512 байт, то поле расширения дополняет его до 512 байт. Если же размер кадра превышает 512 байт, то поле расширения не добавляется.
Для увеличения производительности предусмотрен Burst Mode – монопольный пакетный режим, позволяющий передать подряд несколько кадров общей длиной не более 8192байт. Если предел 8192 байт достигается на середине кадра, то кадр передаётся до конца.
Каскадное соединение повторителей в Gigabit Ethernet не допускается.
1000Base-T
В качестве среды передачи данных используется UTP категории не ниже 5e. При этом осуществляется встречная передача по всем четырём парам со скоростью 125Мбит/с, что в совокупности позволяет достичь полосы пропускания 1Гбит/с. Максимальная длина физического сегмента 100м.
1000Base-TX
В качестве среды передачи используется UTP категории не ниже 6. Используются 4 пары, 2 пары на приём, 2 пары на передачу. По каждой паре данные передаются со скоростью 500Мбит/с. Максимальная длина физического сегмента 100м. Поддерживается полнодуплексный режим.
1000Base-SX
В качестве среды передачи данных используется 50/125 и 62.5/125мкм многомодовое оптоволокно. Максимальная длина физического сегмента составляет 275м и 500м соответственно. Поддерживается полнодуплексный режим.
1000Base-LX
В качестве среды передачи данных используется 10/125мкм одномодовое оптоволокно, максимальная длина физического сегмента 5 км. Также может использоваться 50/125 мкм и 62.5/125 мкм многомодовое оптоволокно, в этом случае максимальная длина физического сегмента составляет 550м. Поддерживается полнодуплексный режим.
1000Base-ZX
В качестве среды передачи данных используется одномодовое оптоволокно. Позволяет осуществить передачу данных на расстояние до 80км. Поддерживается полнодуплексный режим.
1.6.4. 10Гбит/с - 10GbE
Особенности 10GbE
Сети 10GbE рассматриваются как решение для построения не только локальных, а также городских и глобальных сетей. Длина физических сегментов до 40км. Технология разрабатывалась с учётом последующей интеграции с сетями SONET/SDH.
Форматы фреймов не изменяются, что обеспечивает совместимость с Ethernet, FastEthernet и GigabitEthernet. 10GbE поддерживает только полнодуплексный режим.
10GBASE-SR
Предназначена для использования в многомодовой кабельной инфраструктуре. Максимальная длина физического сегмента составляет 82 м.
10GBASE-LX4
Использует WDM для передачи данных по оптоволокну. Позволяет использовать многомодовое оптоволокно, в этом случае максимальная длина физического сегмента 240-300м. При использовании одномодового оптоволокна максимальная длина физического сегмента составляет 10км.
10GBASE-LR и 10GBASE-ER
В качестве среды передачи данных используется одномодовое оптоволокно. Максимальная длина физического сегмента 10км и 40км соответственно.
10GBASE-SW, 10GBASE-LW, и 10GBASE-EW
Обобщённое обозначение 10GBASE-W. Стандарты разработаны с учётом совместимости с технологией SONET/SDH. Работают на скорости OC-192.
10GBASE-T
Позволяет передавать данные по витой медной паре со скоростью 10 Гбит/с. В витых парах CAT 7 и CAT 6a доступно расстояние до 100 м. UTP CAT 7 предполагает использование разъёмов RF-45, не совместимых с RJ-45.
UTP CAT 6 можно использовать на расстоянии от 55 до 100 м. В специальном режиме возможно использование UTP CAT 5e на дистанции до 45 м.
1.6.5. Industrial Ethernet
Является набором рекомендаций на создание сетей Ethernet, предназначенных для работы в промышленных условиях. Такие сети могут использоваться для обмена информацией между промышленным оборудованием, а также в помещениях с высоким уровнем электромагнитных помех. Отличительной особенностью является использование компонентов физического уровня (кабелей, разъёмов), устойчивых к электромагнитным помехам, механическим воздействиям, а также предназначенных для работы в агрессивной среде.
1.7. Перспективы развития Ethernet
В настоящее время IEEE ведутся работы над стандартами 40, 100, 160 Гбит/с.
1.8. Построение сетей Ethernet на основе коммутаторов
Преимущества полностью коммутируемой среды передачи
Сеть Ethernet с полностью коммутируемой топологией обладает существенными преимуществами:
- отсутствие коллизий позволяет увеличить общую производительность сети;
- ограничение на длину сети, обусловленное необходимостью обнаружения коллизий, является недействительным. Теоретически длина сети неограниченна.
- каждому компьютеру предоставляется фиксированная полоса пропускания;
- поддержка полнодуплексного режима позволяет предоставить удвоенную полосу пропускания.
Ограничения на создание избыточных связей
Сеть Ethernet должна иметь древовидную топологию. Наличие петель приводит к размножению широковещательного трафика.
Рассмотрим петлю, изображённую на рис.1.14.
 |
|
Рис. 1.14
|
Предположим, на порт 1 коммутатора A поступает широковещательный фрейм (обозначен зелёным цветом). Коммутатор A передаёт этот фрейм на свои порты 2 и 3 (обозначен синим цветом).
Коммутатор B принимает широковещательный фрейм на порт №1, и передают его коммутатору A через порт №2. Коммутатор B принимает широковещательный фрейм на порт №2, и передают его коммутатору A через порт №1 (обозначены красным цветом).
Получив широковещательный фрейм от B на порт №2, коммутатор A отправит его через порты 1 и 3. Получив широковещательный фрейм от B на порт №1, коммутатор A также отправит его через порты 2 и 3 (обозначено серым цветом).
Таким образом, в петлях происходит размножение широковещательного трафика, что приводит к снижению производительности или неработоспособности сети.
Невозможность создания петель накладывает ограничения на создание альтернативных маршрутов или резервных соединений. Отчасти это ограничение можно обойти с помощью агрегации каналов или использования протокола Spanning Tree, но ограничения на размер широковещательного домена этим не устраняются. Поэтому при дальнейшем росте сети необходимо использовать маршрутизаторы, которые не передают широковещательный трафик и позволяют сегментировать широковещательный домен.
Протокол STP
Spanning Tree Protocol (протокол покрывающего дерева) позволяет организовывать избыточные связи.
Коммутаторы с поддержкой STP выбирают корневой коммутатор – root bridge, который будет корнем дерева кратчайших путей. Далее формируется дерево кратчайших путей таким образом, чтобы путь от корневого коммутатора до каждого отдельно взятого коммутатора был минимальным. После вычисления дерева кратчайших путей те соединения между коммутаторами, которые в это дерево не входят, автоматически отключаются (рис.1..15).
 |
 |
|
Рис. 1.15
|
При изменении топологии происходит автоматический пересчёт дерева. Таким образом, в случае обрыва основного соединения произойдёт пересчёт дерева, и включится резервное соединение.
Недостатком STP является необходимость пересчёта дерева при каждом изменении топологии, длительное время пересчёта, составляющее до 50с. Существует более быстрая версия STP - протокол RSTP (Rapid Spanning Tree Protocol), у которого время пересчёта дерева составляет 15с.
Агрегация каналов (link aggregation)
Стандарт IEEE 802.3ad позволяет объединить несколько физических соединений в одно виртуальное соединение, которое будет рассматриваться на канальном уровне как одно соединение (рис.1.16).
 |
|
Рис. 1.16
|
При этом физически кабели можно проложить по разным маршрутам. Повреждение одного кабеля приведёт к уменьшению скорости соединения, но обрыва соединения не произойдёт.
1.9. Виртуальные локальные сети (Virtual LAN – VLAN)
VLAN
VLAN – это изолированное на канальном уровне множество ресурсов сети, логически сгруппированных по определённому признаку (рис.1.17).
 |
|
Рис. 1.17
|
Группировку можно осуществлять на основе номера порта коммутатора, на основе MAC-адреса отправителя, или на основе протоколов сетевого и транспортного уровней.
Широко распространёнными являются port-based VLAN, в которых группировка осуществляется по портам коммутаторов. В таком случае при настройке коммутаторов указывается принадлежность порта конкретной VLAN. Порты коммутаторов, принадлежащие к одной и той же VLAN, образуют широковещательный домен. Если два компьютера подключены к одной и той же VLAN, возможна непосредственная передача фрейма от одного компьютера к другому.