Fast Ethernet

Примерно тогда же, когда коммутаторы набирали популярность, скорость Ethernet 10 Мбит/с перестала казаться чем-то из ряда вон выходящим. Когда-то казалось, что 10 Мбит/с — это просто фантастически высокая скорость. Примерно так же воспринимали пользователи телефонных модемов появление кабельных модемов. Однако мир меняется очень быстро. В качестве одного из следствий закона Паркинсона (≪Работа занимает все отведенное на нее время≫) можно привести следующее правило: ≪Данные занимают всю предоставленную пропускную способность канала≫.

Многим приложениям требовалась высокая пропускная способность, и поэтому появились 10-Мбитные ЛВС, связанные лабиринтами повторителей, концентраторов и коммутаторов. Сетевым администраторам иногда казалось, что система держится еле-еле и может развалиться от любого прикосновения. Но даже с коммутаторами Ethernet максимальная полоса пропускания одного компьютера ограничивалась кабелем, которым тот соединялся с портом коммутатора.

Вот при таких обстоятельствах институт IEEE начал в 1992 году пересмотр стандартов и дал заказ комитету 802.3 выработать спецификацию более быстрых сетей. Одно из предложений состояло в том, чтобы сохранить 802.3 без изменений и просто увеличить скорость работы. Другое заключалось в том, чтобы полностью его переделать, снабдить новым набором функций — например, обеспечить возможность передачи данных реального времени, оцифрованной речи. При этом предлагалось сохранить старое название стандарта (такой коммерческий прием). После некоторых колебаний комитет решил все-таки изменить лишь скорость работы 802.3, а все остальные параметры оставить прежними. Такая стратегия позволила бы добиться желаемого прежде, чем технология изменится, и избежать непредвиденных проблем с совершенно новыми разработками. Также обеспечивалась бы обратная совместимость с существующими локальными сетями Ethernet. Сторонники отвергнутого предложения поступили так, как в этой ситуации поступил бы любой человек, связанный с компьютерной индустрией: они хлопнули дверью, организовали собственный комитет и разработали свой стандарт (собственно, 802.12), который, впрочем, с треском провалился.

Работа шла довольно быстро (по меркам комитета стандартизации), и уже в июне 1995 года официально объявили о создании стандарта 802.3u. С технической точки зрения, в нем нет ничего нового по сравнению с предыдущей версией. Честнее было бы назвать это не новым стандартом, а расширением 802.3 (чтобы еще больше подчеркнуть обратную совместимость с ним). Такая стратегия часто используется. Поскольку жаргонное название ≪ Fast Ethernet ≫ (быстрый Ethernet) используется уже практически всеми, то и мы будем следовать этой моде.

Основная идея Fast Ethernet довольно проста: оставить без изменений все старые форматы кадров, интерфейсы, процедуры и лишь уменьшить время передачи одного бита с 100 до 10 нс. Как это технически осуществить? Можно скопировать принцип, применяемый в классическом 10-мегабитном Ethernet, но в 10 раз уменьшить максимальную длину сегмента. Однако преимущества витой пары были столь неоспоримы, что практически все системы типа ≪Fast Ethernet≫ в результате были построены именно на этом типе кабеля. Таким образом, в Fast Ethernet используются исключительно концентраторы (хабы) и коммутаторы; никаких моноканалов с ответвителями типа ≪зуб вампира≫ или с BNC-коннекторами здесь нет.

Однако некоторые технические решения все же необходимо было принять. Самый важный вопрос заключался в том, какие типы кабелей поддерживать. Одним из претендентов была витая пара категории 3. Основным аргументом в его пользу было то, что практически все западные офисы уже были оборудованы по крайней мере четырьмя витыми парами категории 3 (а то и лучше): они использовались в телефонных линиях и их длина (до ближайшего телефонного щита) составляла не более 100 м. Иногда можно было встретить два таких кабеля. Таким образом, можно было установить в организациях Fast Ethernet, и для этого не требовалось перекладывать кабель во всем здании. Это было очень существенно для многих. Было во всем этом лишь одно неудобство: витые пары третьей категории не способны передавать сигналы 100-мегабитной сети на расстояние 100 метров (именно таково максимальное расстояние между компьютером и концентратором, установленное стандартом для 10-мегабитных концентраторов). Витые пары категории 5 с такой задачей справились бы без всяких проблем, а для оптоволокна это и вовсе смешная цифра. Надо было найти какой-то компромисс. Не мудрствуя лукаво, комитет 802.3 разрешил применять все три типа кабелей, как показано в табл. 1, с условием, что решения на основе витой пары третьей категории будут чуть живее и смогут обеспечить необходимую емкость канала.

Таблица 1. Основные типы кабелей для сетей Fast Ethernet

Название	Тип	Длина сегмента, м	Преимущества
100Base-T4	Витая пара		Использование неэкранированной витой пары категории 3
100Base-TX	Витая пара		Полный дуплекс при 100 Мбит/с (витая пара 5 категории)
100Base-FX	Оптоволокно		Полный дуплекс при 100 Мбит/с; большая длина сегмента

В схеме 100Base-4T, использующей витую пару категории 3, сигнальная скорость составляет 25 МГц, что лишь на 25 % больше, чем 20 МГц стандарта Ethernet (помните, что в Манчестерском кодировании, которое обсуждается выше, требуется удвоенная частота). Чтобы достичь требуемой пропускной способности, в схеме 100Base-4T применяются четыре витые пары. Из четырех витых пар одна всегда направляется на концентратор, одна — от концентратора, а две оставшиеся переключаются в зависимости от текущего направления передачи данных. Для достижения скорости100 Мбит/с в направлении передачи на каждой из витых пар применяется довольно сложная схема с отправкой троичных цифровых сигналов с тремя разными уровнями напряжения. Вряд ли эта схема выиграет приз за элегантность, так что детали мы опустим.

Однако так как в стандартной телефонной проводке десятилетиями использовались четыре витые пары в каждом кабеле, в большинстве офисов можно применять уже проложенные кабели. Разумеется, для этого придется отказаться от офисного телефона, но не такая уж это большая цена за быструю электронную почту.

Система 100Base-T4 не дошла до финала, поскольку во многих офисных зданиях проложили витую пару пятой категории для сетей 100Base-TX, которые в итоге завоевали рынок. Такая схема проще, так как кабели этого типа могут работать с сигналами на частоте 125 МГц. Поэтому для каждой станции используются только две витые пары: одна к концентратору, другая от него. Не применяется ни прямое битовое кодирование (то есть NRZ), ни Манчестерский код. Вместо них имеется специальная система кодирования, называемая 4B/5B (подробнее об этом выше). Четыре бита данных кодируются в форме пяти сигнальных бит и отправляются на частоте 125 МГц, обеспечивая скорость 100 Мбит/с. Это простая схема, но в ней выполняется достаточное число переходов для обеспечения синхронизации, и полоса пропускания расходуется довольно эффективно. Система 100Base-TX является полнодуплексной, станции могут передавать на скорости 100 Мбит/с по одной витой паре и одновременно принимать на той же скорости по другой.

Последний вариант, 100Base-FX, использует два оптических многомодовых кабеля, по одному для передачи в каждом направлении, то есть также полный дуплекс на скорости 100 Мбит/с в каждом направлении. В таком варианте расстояние между станцией и коммутатором может достигать 2 км.

Fast Ethernet поддерживает соединение с помощью либо концентраторов, либо коммутаторов. Для того чтобы алгоритм CSMA/CD работал, необходимо соблюдать соотношение между минимальным размером кадра и максимальной длиной кабеля, учитывая возрастание скорости от 10 до 100 Мбит/с. Таким образом, либо нужно увеличить минимальный размер кадра (сделать его больше 64 байт), либо пропорционально уменьшить максимальную длину кабеля (менее 2500 м). Самый простой способ оказался следующим: уменьшить максимальное расстояние между двумя станциями в 10 раз, так как концентратор со стометровыми кабелями точно не будет выходить за новые границы. Однако кабели 100Base-FX в 2 км слишком длинны для 100-мегабитного концентратора с обычным алгоритмом управления коллизиями в сетях Ethernet. Эти кабели нужно подключать к коммутатору, чтобы они могли работать в полнодуплексном режиме без коллизий.

Пользователям очень полюбился Fast Ethernet, но они не собирались так просто выбрасывать 10-Мбитные платы Ethernet со старых компьютеров. В результате практически все коммутаторы могут поддерживать и 10-Мбитные, и 100-Мбитные станции.

Для упрощения обновлений сам стандарт предусматривает механизм под названием автоматическое согласование (autonegotiation), который позволяет двум станциям автоматически договориться об оптимальной скорости (10 или 100 Мбит) и дуплексном режиме (полный дуплекс или полудуплекс). Обычно он работает без проблем, однако известны случаи возникновения проблем несовпадения дуплексного режима. Одна станция применяет автоматическое согласование, а на другой оно не работает, и сразу же устанавливается полнодуплексный режим (Shalunov, Carlson, 2005). Большая часть аппаратуры Ethernet использует эту функцию для самонастройки.

Дата добавления: 2015-11-16