Компьютерные сети. 6-е изд. - Эндрю Таненбаум

соотношение между минимальным размером фрейма и максимальной длиной кабеля, учитывая возрастание скорости от 10 до 100 Мбит/с. Таким образом, нужно либо увеличить минимальный размер фрейма (более 64 байт), либо пропорционально уменьшить максимальную длину кабеля (менее 2500 м). Самый простой способ — сократить максимальное расстояние между двумя станциями в 10 раз, поскольку концентратор с кабелями 100 м длиной точно попадает в эти границы. Однако кабели 100Base-FX в 2 км слишком длинны для 100-мегабитного концентратора с обычным алгоритмом управления коллизиями в сетях Ethernet. Их 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-мегабитные платы Ethernet со старых компьютеров. В результате практически все коммутаторы могут поддерживать и 10-мегабитные, и 100-мегабитные станции. Для упрощения перехода на новое оборудование сам стандарт предусматривает механизм, названный автоматическим согласованием (auto-negotiation), 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 ситуаций, в которых дуплексный режим не совпадает. Одна станция применяет автоматическое согласование, а на другой оно не работает и сразу же устанавливается полнодуплексный режим (Шалунов и Карлсон; Shalunov and Carlson, 2005). Большая часть оборудования Ethernet использует эту функцию для самонастройки.

4.3.6. Gigabit Ethernet

Как говорится, еще не высохли чернила на только что созданном стандарте Fast Ethernet, как комитет 802 приступил к работе над новой версией. Вскоре она получила название «гигабитный Ethernet» (Gigabit Ethernet). IEEE ратифицировал наиболее популярную форму сети в 1999 году под названием 802.3ab. Ниже мы обсудим некоторые ключевые свойства Gigabit Ethernet. Более подробную информацию можно найти в работе Сперджена и Циммермана (Spurgeon and Zimmerman, 2014).

Главные цели при создании Gigabit Ethernet были, по сути, такими же, что и для Fast Ethernet: увеличить производительность в 10 раз и сохранить обратную совместимость со старыми сетями Ethernet. В частности, Gigabit Ethernet должен был обеспечить дейтаграммную службу без подтверждений, как при одноадресной, так и при широковещательной передаче. При этом необходимо было сохранить неизменными 48-битную схему адресации и формат фрейма, включая нижние и верхние границы его размера. Новый стандарт соответствовал всем этим требованиям.

Как и в случае Fast Ethernet, все сети Gigabit Ethernet строятся по принципу «точка-точка». Простейшая конфигурация, показанная на илл. 4.20 (а), состоит из двух компьютеров, напрямую соединенных друг с другом. Однако чаще всего используется вариант с коммутатором или концентратором, к которому подключается множество компьютеров; также возможна установка дополнительных коммутаторов или концентраторов (илл. 4.20 (б)). В обеих конфигурациях к каждому отдельному кабелю Gigabit Ethernet всегда присоединяются два устройства, ни больше ни меньше.

Илл. 4.20. Сеть Ethernet, состоящая: (а) из двух станций; (б) из множества станций

Как и Fast Ethernet, Gigabit Ethernet может работать в двух режимах: полнодуплексном и полудуплексном. «Нормальным» считается полнодуплексный, при этом трафик может идти одновременно в обоих направлениях. Этот режим используется, когда имеется центральный коммутатор, соединенный с периферийными компьютерами или другими коммутаторами. В такой конфигурации сигналы всех линий буферизируются, поэтому абоненты могут отправлять данные, когда захотят. Отправитель не прослушивает канал, потому что ему не с кем конкурировать. На линии между компьютером и коммутатором компьютер — единственный потенциальный отправитель. Передача произойдет успешно, даже если коммутатор одновременно отправляет фрейм на компьютер (так как линия полнодуплексная). Конкуренции нет, и протокол CSMA/CD не применяется. Поэтому максимальная длина кабеля определяется исключительно мощностью сигнала, а не временем, за которое шумовой всплеск доходит обратно к отправителю. Коммутаторы могут работать на смешанных скоростях; более того, они автоматически выбирают оптимальную скорость. Самонастройка поддерживается так же, как и в Fast Ethernet, но теперь можно выбирать 10, 100 или 1000 Мбит/с.

Полудуплексный режим работы используется тогда, когда компьютеры соединены не с коммутатором, а с концентратором. Концентратор не буферизирует входящие фреймы. Вместо этого он электрически соединяет все линии, симулируя моноканал классического Ethernet. В этом режиме возможны коллизии, поэтому применяется CSMA/CD. Фрейм минимального размера (64 байта) может передаваться в 100 раз быстрее, чем в классическом Ethernet. Поэтому максимальная длина кабеля должна быть соответственно уменьшена в 100 раз. Она составляет 25 м — именно при таком расстоянии между станциями шумовой всплеск гарантированно достигнет отправителя до окончания его передачи. Если бы кабель имел длину 2500 м, то отправитель 64-байтного фрейма в системе со скоростью 1 Гбит/с завершил бы передачу задолго до того, как фрейм прошел бы только десятую часть пути в одну сторону (не говоря уже о том, что сигнал должен еще и вернуться обратно).

Такое строгое ограничение побудило комитет добавить в стандарт два дополнительных свойства, что позволило увеличить максимальную длину кабеля до 200 м. Это должно было устроить большинство организаций. Первое свойство — расширение носителя (carrier extension). Оно сообщает аппаратному обеспечению, что нужно добавить собственное поле заполнения после обычного фрейма, чтобы расширить его до 512 байт. Поскольку это поле добавляется отправителем и изымается получателем, программному обеспечению нет до него никакого дела. Конечно, тратить 512 байт полосы на передачу 46 байт пользовательских данных (именно столько полезной нагрузки содержится в 64-байтном фрейме) несколько расточительно. Эффективность такой передачи составляет всего 9 %.

Второе свойство, позволяющее увеличить допустимую длину сегмента, — пакетная передача фреймов (frame bursting). Отправитель может посылать не единичный фрейм, а пакет, объединяющий в себе сразу несколько фреймов. Если полная длина пакета оказывается менее 512 байт, то производится аппаратное заполнение (как в предыдущем случае). Если же фреймов, готовых к передаче, достаточно, эта схема оказывается весьма эффективной и применяется вместо расширения носителя.

Честно говоря, трудно представить себе организацию, которая сначала потратит немало средств на установку современных компьютеров с платами для гигабитной сети Ethernet, а потом соединит их древними концентраторами, имитирующими работу классического Ethernet со всеми его коллизиями. Сетевые платы и коммутаторы Gigabit Ethernet когда-то были довольно дорогими, но как только спрос на них возрос, цены быстро упали. Однако обратная совместимость — это «священная корова» в компьютерной индустрии, поэтому, несмотря ни на что, комитету необходимо было ее обеспечить. Сегодня большинство компьютеров поставляются с интерфейсом Ethernet, способным работать на скоростях 10, 100 и 1000 Мбит/с (а иногда и более высоких) и совместимым с каждым из этих режимов.

Gigabit Ethernet поддерживает как медные, так и волоконно-оптические кабели, что отражено на илл. 4.21. Работа на скорости около 1 Гбит/с означает необходимость кодирования и