Задание к работе

1. Составить таблицу соответствия уровней стека TCP/IP уровням семиуровневой модели OSI. Описать наиболее схожие черты.

Рекомендуемая литература: 1.1, 1.2, 1.3, 2.2

Самостоятельная работа № 5 «Характеристики сетевых технологий»

Цель работы: обобщить и систематизировать знания по теме «Локальные вычислительные сети».

Время выполнения: 10 часов

Краткие теоретические сведения

Ethernet – это самый распространенный сегодня стандарт локальных сетей. Сеть Ethernet , построенная на повторителях, всегда образует один домен коллизий. Мосты, коммутаторы и маршрутизаторы делят сеть Ethernet на несколько доменов коллизий. Домен коллизий – это часть сети Ethernet, все узлы которой конкурируют за общую разделяемую среду передачи и, следовательно, каждый узел которой может создать коллизию с любым другим узлом этой части сети.

В таблице 2.1 сведены основные ограничения для всех стандартов Ethernet.

Таблица 2.1

Характеристика	Значение
Номинальная пропускная способность	10 Мбит/с
Максимальное число станций в сети	1024
Максимальное расстояние между узлами в сети	2500 м ( в 10 Base-FB 2750 м)
Максимальное число коаксиальных сегментов в сети	5

В таблице 2.2 сведены параметры спецификаций физического уровня для стандарта Ethernet.

Таблица 2.2

Параметр	10 Base - 5	10 Base - 2	10 Base - T	10 Base - F
Кабель	Толстый коаксиальный кабель RG-8 и RG-11	Тонкий коаксиальный кабель RG-58	Неэкранированная витая пара категории 3, 4, 5	Многомодовый волоконно-оптический кабель
Максимальная длина сегмента, м	500	185	100	2000
Максимальное расстояние между узлами сети (при использовании повторителей), м	2500	925	500	2500 (2740 для 10 Base – FВ)
Максимальное число станций в сегменте	100	30	1024	1024
Максимальное число повторителей между любыми станциями сети	4	4	4	4 (5 для 10 Base – FВ)

Стандарт 802.3 раздел 13

• время оборота (PDV) сигнала между двумя самыми удаленными друг от друга станциями сети не превышает 575 битовых интервала. Повторители и длина сегментов вносят задержки в распространение сигнала, данные о предельных уровнях этих задержек приведены в таблицах стандарта;

• сокращение межпакетного интервала IPG при прохождении последовательности кадров через все повторители будет не больше, чем 49 битовых интервала. Каждый повторитель сокращает значение IPG на определенную величину, которая также приводится в стандарте.

В таблицах стандарта 802.3 приводятся минимальные и максимальные значения возможных задержек распространения сигналов и сокращений IPG, их более определенные значения зависят от производителя повторителей.

Таблица 2.3 Данные для расчета значения PDV

Тип сегмента	База левого сегмента, битовых интервалов	База промежуточного сегмента, битовых интервалов	База правого сегмента, битовых интервалов	Задержка среды на 1 м, битовых интервалов	Максимальная длина сегмента, м
10 Base - 5	11,8	46,5	169,5	0,0866	500
10 Base - 2	11,8	46,5	169,5	0,1026	185
10 Base - Т	15,3	42,0	165,0	0,113	100
10 Base - FB	-	24,0	-	0,1	2000
10 Base - FL	12,3	33,5	156,5	0,1	2000
FOIRL	7,8	29,0	152,0	0,1	1000
AUI (> 2 м)	0	0	0	0,1026	2+48

Разработчики стандарты 802.3 старались максимально упростить выполнение расчетов, поэтому приведенные данные включают сразу несколько этапов прохождения сигнала. Например, задержки, вносимые повторителем, состоят из задержки входного трансивера, задержки блока повторения и задержки выходного трансивера. В таблице все эти задержки представлены одной величиной, названной базой сегмента.

Чтобы не нужно было два раза складывать задержки, вносимые кабелем, в таблице даются удвоенные величины задержек для каждого типа кабеля.

В таблице используются такие понятия, как левый сегмент, правый сегмент и промежуточный сегмент. Левым сегментом в терминологии 802.3 называется сегмент, в котором начинается путь сигнала от выхода передатчика конечного узла. Термин «левый» не имеет отношения к расположению сегментов в пространстве. Это просто условное название сегмента, с которого начинается расчет.

Затем сигнал проходит через промежуточные сегменты и доходит до приемника. Именно здесь в худшем случае происходит столкновение кадров и возникает коллизия, что и подразумевается в таблице. Конечный сегмент, в котором может возникнуть коллизия, называется правым сегментом.

С каждым сегментом связана постоянная задержка, названная базой, которая зависит только от типа сегмента и от положения сегмента на пути сигнала (левый, промежуточный или правый). База правого сегмента намного превышает базу левого и промежуточных сегментов.

С каждым сегментом связана задержка распространения сигнала вдоль кабеля сегмента, которая зависит от длины сегмента и вычисляется путем умножения времени распространения сигнала по одному метру кабеля (в битовых интервалах) на длину кабеля в метрах.

Расчет заключается в вычислении задержек, вносимых каждым отрезком кабеля (приведенная в таблице задержка сигнала на 1 м кабеля умножается на длину сегмента), а затем суммировании этих задержек с базами левого, промежуточных и правого сегментов.

Так как левый и правый сегменты имеют разные величины базовой задержки, то в случае различных типов сегментов на удаленных краях сети необходимо выполнить расчеты дважды: один раз принять в качестве левого сегмента сегмент одного типа, а во второй – сегмент другого типа. Результатом можно считать максимальное из полученных значений PDV. Если крайние сегменты принадлежат одному типу, то двойной расчет не требуется.

Проверки PDV не достаточно для общего положительного заключения. Нужно также оценить значение уменьшения межкадрового интервала. Исходные данные для этого расчета приведены в таблице 2.4.

Таблица 2.4 Уменьшение межкадрового интервала повторителями

Тип сегмента	Передающий сегмент, битовых интервалов	Промежуточный сегмент, битовых интервалов
10 Base – 5 или 10 Base - 2	16	11
10 Base - Т	10,5	8
10 Base - FB	-	2
10 Base - FL	10,5	8

В сетях Token Ring используется детерминированный метод доступа с передачей маркера. Логической топологией сетей Token Ring является кольцо, физической – звезда. Сети Token Ring работают на двух скоростях 4 и 16 Мбит/с и могут использовать в качестве физической среды экранированную и неэкранированную витую пару, а также волоконно-оптический кабель.

Максимальное количество станций в кольце – 260, а максимальная длина кольца – 4 км. За счет кольцевой топологии технология Token Ring обеспечивает частичную отказоустойчивость.

Существует значительная преемственность между технологиями Token Ring и FDDI: обе обладают кольцевой топологией и применяют передачу маркера в качестве метода доступа. Технология FDDI поддерживает развитые средства отказоустойчивости. При однократных отказах кабельной системы или одной из станций кольца сеть остается работоспособной за счет «свертывания» двойного кольца в одинарное.

В технологии FDDI в качестве физической среды впервые был использован волоконно-оптический кабель и достигнута скорость 100 Мбит/с. Максимальное количество станций двойного подключения в кольце FDDI – 500, максимальный диаметр двойного кольца – 100 км. Это делает технологию FDDI пригодной для работы не только в качестве технологии LAN, но и в качестве технологий MAN. Классическая 10-мегабитная сеть Ethernet устраивала большинство пользователей на протяжении около 15 лет. Однако в начале 90-х годов начала ощущаться ее недостаточная пропускная способность. Скорость обмена с сетью в 10 Мбит/с стала существенно меньше скорости внутренней шины компьютера, которая к тому времени превысила порог 1000 Мбит/с. Это приводило к замедлению работы сети не только серверов, но и рабочих станций, которые также стали использовать шину PCI.

Потребности в высокоскоростной и в то же время недорогой технологии для подключения к сети мощных рабочих станций привели к созданию инициативной группы, которая занялась поисками такой же простой и эффективной технологии, как Ethernet, но работающей на скорости 100 Мбит/с

Осенью 1985 года комитет 802.3 утвердил стандарт Fast Ethernet, почти полностью повторяющий технологию Ethernet 10 Мбит/с.

Технология Fast Ethernet сохранила в неприкосновенности метод доступа CSMA/CD, оставив в нем тот же алгоритм и те же временные параметры в битовых интервалах (сам битовый интервал уменьшился в 10 раз). Все отличия Fast Ethernet от Ethernet проявляются на физическом уровне. В стандарте Fast Ethernet определены три спецификации физического уровня: 100 Base – TX, 100 Base – FX, 100 Base – T4.

Максимальный диаметр сети Fast Ethernet равен приблизительно 200 м, а более точные значения зависят от спецификации физической среды. В домене коллизий Fast Ethernet допускается не более одного повторителя класса I и не более двух повторителей класса II.

Технология Fast Ethernet при работе на витой паре позволяет за счет процедуры автопереговоров двум портам выбрать наиболее эффективный режим работы – скорость 10 Мбит/с или 100 Мбит/с, а также полудуплексный и дуплексный режим.

Успех Fast Ethernet еще больше повысил интерес к высокоскоростным вариантам Ethernet. Следующий вариант - Fast Ethernet - был стандартизирован через три года.

Технология Gigabit Ethernet добавляет в иерархию скоростей семейства Ethernet новую ступень в 1000 Мбит/с. Эта ступень позволяет эффективно строить крупные локальные сети, в которых серверы и магистрали нижних уровней сети работают на скорости 100 Мбит/с, а магистраль Gigabit Ethernet объединяет их, обеспечивая достаточно большой запас пропускной способности.

Разработчики технологии Gigabit Ethernet сохранили большую степень преемственности с технологиями Ethernet и Fast Ethernet. В Gigabit Ethernet те же форматы кадров, что и в предыдущих версиях Ethernet; Gigabit Ethernet работает в дуплексном и полудуплексном режимах, поддерживая на разделяемой среде тот же метод доступа CSMA/CD с минимальными изменениями.

Специальная рабочая группа 802.3ab разработала Gigabit Ethernet на UTP категории 5. Для обеспечения скорости 1000 Мбит/с используются: одновременная передача данных по 4 неэкранированным витым парам; метод кодирования PAM – 5, передача информации в дуплексном режиме с выделением принимаемого сигнала из общего с помощью процессора DSP.

Задание к работе

1. Рассчитайте по приведенной методике время оборота в сети 10 Base-5, состоящей из 4-х повторителей 10 Base-5 и 5-ти сегментов максимальной длины 500 м.

2. Рассчитайте по приведенной методике время оборота в сети, изображенной на рисунке 2.1.

3. Рассчитайте по приведенной методике время оборота в сети, изображенной на рисунке 2.2.

Здание 4 Здание 5 Здание 3 S3, 500м 10 Base-FB Здание 1 S2, 600м 10 Base-FB Здание 2 S4, 1000 м 10 Base-FL S5, 1000м 10 Base-FL

Рисунок 2.1 Многосегментная сеть

Здание 4 Здание 5 Здание 3 S3, 1000 м 10 Base-FL Здание 1 S2, 300м 10 Base-FB Здание 2 S4, 500м 10 Base-FB S5, 1000м 10 Base-FL

Рисунок 2.2 Многосегментная сеть

4. Оцените максимальное время ожидания доступа к среде в сети Token Ring состоящей из 160 станций и работающей на скорости 16 Мбит/с.

5. Сеть Token Ring состоит из 100 станций, длина кольца равна 2000 м. Скорость передачи данных составляет 16 Мбит/с. Время удержания маркера выбрано равным 10 мс. Каждая станция передает кадры фиксированного размера в 4000 байт (с учетом заголовка) и полностью использует время удержания маркера для передачи своих кадров. Подсчитайте, какой выигрыш дает механизм раннего освобождения маркера для этой сети.

6. Заполнить таблицу:

Тип повторителей	Тип кодирования данных	Битовая скорость трансляции логических кодов	Порты
Повторители класса I
Повторители класса II

7. Выписать стандарт 802.3.

8. Пользуясь информацией, представленной в таблицах 6.1, 6.1, 6.3, определите, какой запас устойчивости имеет конфигурация сети Fast Ethernet с одним повторителем класса I.

Задержки, вносимые сетевыми адаптерами, учитывают преамбулы кадров, поэтому время оборота нужно сравнивать с величиной 512 битовых интервала, то есть со временем передачи кадра минимальной длины без преамбулы.

Для повторителей класса I время оборота можно рассчитать следующим образом.

Задержки, вносимые прохождением сигналов по кабелю, рассчитываются на основании данных таблицы 6.2, в которой учитывается удвоенное прохождение сигнала по кабелю. Задержки, которые вносят два взаимодействующих через повторитель сетевых адаптера (или порта коммутатора), берутся из таблицы 6.3. Учитывая, что удвоенная задержка, вносимая повторителем класса I, равна 140 битовых интервалов, можно рассчитать время оборота для произвольной конфигурации сети, учитывая максимально возможные длины непрерывных сегментов кабелей, приведенные в таблице 6.1. Если получившееся значение меньше 512, значит, по критерию распознавания коллизий сеть является корректной. Стандарт 802.3 рекомендует оставлять запас в 4 битовых интервала для устойчиво работающей сети, но разрешает выбирать эту величину из диапазона от 0 до 5 битовых интервалов.

Таблица 6.1 Параметры сетей на основе повторителей класса I

Тип кабелей	Максимальный диаметр сети, м	Максимальная длина сегмента, м
Только витая пара (TX)	200	100
Только оптоволокно (FX)	272	136
Несколько сегментов на витой паре и один на оптоволокне	260	100 (TX) 160 (FX)
Несколько сегментов на витой паре и несколько сегментов на оптоволокне	272	100 (TX) 136 (FX)

Таблица 6.2 Задержки, вносимые кабелем

Тип кабеля	Удвоенная задержка в битовых интервалах
	на 1 метр	на кабеле максимальной длины
UTP категории 3	1,14	114 (100 м)
UTP категории 4	1,14	114 (100 м)
UTP категории 5	1,112	111,2 (100 м)
STP	1,112	111,2 (100 м)
Оптоволокно	1,0	412 (412 м)

Таблица 6.3 Задержки, вносимые сетевыми адаптерами

Тип сетевых адаптеров	Максимальная задержка при полном обороте в битовых интервалах
Два адаптера TX/FX	100
Два адаптера Т4	138
Один адаптер TX/FX и один адаптер Т4	127

Рекомендуемая литература: 1.1, 1.2, 1.3, 2.2