Продолжение. Часть 10 — здесь.

100 Мбит/с (Fast) Ethernet

Классический Ethernet 10Мбит/с сейчас уже практически вышел из употребления из-за недостаточной скорости работы. В 1995 году IEEE разработала стандарт, который получил название Fast Ethernet (FE). Есть ещё Gigabit Ethernet (GE), о нём ниже.

Наиболее распространённая форма Ethernet 100Мбит/с называется 100BASE-TX, он работает по кабелю витая пара (twisted-pair).

Этот стандарт взаимосвязан с предыдущими параметрами Ethernet на 10Мбит/с, такими как полоса пропускания, минимальный размер пакета и максимальный диаметр сети (расстояние между наиболее удалёнными сетевыми коммутаторами сети). Таким образом, коллизии (одновременная посылка пакета от разных сетевых устройств) могут быть всегда распознаны существующими средствами отправителя пакета, даже если он работает через интерфейс 10Мбит/с.

Например, если диаметр сети остаётся прежним, то за единице времени в сети 100Мбит/с можно передать в 10 раз больше битов, чем в сети10Мбит/с. . Следовательно, если в сети 10Мбит/с минимальный размер пакета составляет 64 байта, то в 100Мбит/с он должен составлять 640 байтов. (В реальности, размеры пакетов несколько меньше, т.к. нужно закладывать некоторый «бюджет» на задержки, которые в сети 10Мбит/с обычно больше теоретических, а также на то, что полоса пропускания сети никогда не заполняется «под завязку»).

Реальные сети почти никогда не строятся размером с максимально допустимый диаметр, и обычно состоят из нескольких небольших локальных сетевых фрагментов, которые объединяются в большие «виртуальные» сети Ethernet через граничные коммутаторы. Поэтому, при стандартизации было принято решение не увеличивать минимальный размер пакета, а уменьшить размер диаметра сети, чтобы коллизии надёжно детектировались и устранялись на небольших участках сети.  

Поэтому диаметр сети Fast Ethernet был выбран размером в 400 метров, что соответствует 174 битам, которые можно передать за секунду на расстояние диаметра сети. То есть, 350 бит на передачу в оба конца. Размер слота составляет 512 бит, т.е. минимальный размер пакета для каждого сетевого сегмента в сети Fast Ethernet составляет те же 64 байта, что и для сети 10М Ethernet.

Цифра в 400 метров, однако, может вводить в заблуждение. Стандарт 100BASE-TX, в котором специфицировано использование кабеля «витая пара» UTP5 (Unshielded Twisted Pair Category 5), ограничивает пролёт кабеля до 100 метров. Максимальный сетевой диаметр 100BASE-TX (T – Twisted) для сетей с использованием хабов – 200 метров. Расстояние же в 400 метров применимо, в частности, к сети 100BASE-FX (F – Fiber) на основе оптоволоконного кабеля, работающего в полудуплексном режиме.

На практике, топология 100BASE-TX типа «звезда» с хабом посередине сети дает возможность получить 100-метровые кабельные сегменты, отходящие от центрального хаба. Такие сетевые сегменты можно соединять между собой при помощи коммутаторов-мостов. Данная топология даёт возможность ограничить возможность возникновения коллизий, которые могут происходить только внутри 200-метровых участков сети.

В сети только на коммутаторах, коллизии возможны только в пролётах между ними, и их вероятность очень мала.

В Fast Ethernet реализована концепция полнодуплексной сети Ethernet, в которой используются две витые пары – по одной в каждом направлении между коммутаторами, либо между коммутатором и сетевым устройством пользователя. Поскольку в каждом звене такой сети содержится только два отправителя пакетов, коллизии в такой сети вообще невозможны.

В сети Fast Ethernet 100BASE-TX в большинстве случаев невозможно организовать связь между зданиями, вследствие ограничений по длине кабеля «витая пара». В таких случая между зданиями следует использовать оптоволоконные линки «точка-точка», с полным дуплексом, чтобы не возникало коллизий.

1000 Мбит/с (Gigabit) Ethernet

При увеличении скорости сетей Ethernet возрастает проблема коллизий. Если продолжить работать с той же длиной пакета, но увеличить скорость передачи до 1000 Мбит/с, то максимальный диаметр сети сократится до 20-40 метров.

Поэтому в Gigabit Ethernet используется длина пакета в 4096 бит, по крайней мере в версии для медной витой пары. Однако, это не имеет большого значения, поскольку практически везде в сетевых линках используется режим полного дуплекса. А поскольку хабы в сетях Gigabit Ethernet не используются, то это означает, что коллизии и вовсе не возникают.

Стандартов Gigabit Ethernet существует несколько, для разных ситуаций с кабелями, как и для Fast Ethernet. Есть стандарты для сетей на оптоволоконных кабелях с пролётами по нескольку километров, и даже версия с максимальным пролётом кабеля в 25 метров (1000Base-CX).

Наиболее распространённый стандарт Gigabit Ethernet на базе медной пары проводов – 1000BASE-T, который иногда путают со стандартом витой парой 1000BASE-TX. Хотя здесь присутствует индекс TX, он требует кабель с витой парой категории 6 (UTP6) и поэтому редко используется. Многие устройства, промаркированные как TX, на самом деле нуждаются в 1000BASE-T.

Кабель UTP6 обычно содержит соответствующую маркировку на оболочке кабеля. В UTP5 такая маркировка может и не использоваться.

Кабели UTP6 обычно оборудованы модульным разъемом 8P8C. Разъёмы используют разводку выводов типа T568A или T568B, оба конца кабеля разводятся одинаково.

В 1000BASE-T все четыре витые пары могут передавать полосу 250 Мбит/с в полном дуплексе. Если использовать двунаправленную связь по одной паре проводов, то нужно применять специальные средства эхоподавления на обеих концах пролёта, которые могут выделять входной сигнал, фильтруя его от обратного сигнала эхо.

При передаче по любой паре проводов UTP6 используются пять уровней сигнала, для кодирования двухбитовых символов на скорости. Двухбитовые символы, в теории, для кодирования требуют только четыре уровня, пятый уровень создаёт избыточность, которая используется для обнаружения и исправления ошибок, для исключения искажений при передаче длинных серий одинаковых символов, а также для поддержки символов для сглаживания скорости (padding).

Такое кодирование известно как пятиуровневая амплитудно-импульсная модуляция PAM-5 (5-level pulse-amplitude modulation).

Коэффициент ошибок для 1000BASE-T составляет 10^-10, что означает, что число ошибочных пакетов будет составлять один на миллион.

При разработке стандартов быстрого Ethernet, экономические соображения играют столь же важную роль, что и технология. Когда какая-то новая технология проникает на рынок, то первым её пользователям часто приходится покупать какое-то дополнительное оборудование, чтобы устройства с новой технологией работали на их традиционных сетях.

Реальное преимущество технологии Ethernet состоит как раз в хорошей стандартизации, поэтому, на реальной сети можно совместно использовать оборудование различных производителей и технологий для разных скоростей сети.

Поддержка в каком-либо новом стандарте Ethernet существующих кабелей даёт большую экономическую выгоду, поскольку стоимость замены кабельной системы организации часто на порядок превышает стоимость сетевого «железа».

Скорости Ethernet продолжают возрастать. Это даёт и новые возможности для систем, приложений и сервисов, работающих на базе Ethernet. Скорости сети порядка гигабит в секунду приближаются к скорости записи и считывания с диска. Поэтому хранение данных на другом сетевом узле более не замедляют работы баз данных. Становится возможным создавать кластерные базы данных, где данные распределены по многим сетевым узлам, и это нисколько не замедляет их работу.

Продолжение: https://shalaginov.com/2021/01/27/network-technologies-12-spanning-tree/.