3.5. Технология Fast Ethernet (802.3u)

Классический Ethernet перестал удовлетворять потребителей с появлением в персональном компьютере (ПК) шины PCI (133 Мбайт/с), когда пропускная способность сегмента стала составлять 1/133 от производительности канала «память-диск» ПК. Многие сегменты стали перегруженными, реакция серверов упала, частота коллизий возросла, еще больше снижая полезную пропускную способность. Потребовались 100-мегабитные решения и в 1992-1995 годах они были найдены двумя группами специалистов. В 1995 году появились две технологии: Fast Ethernet (802.3u) и 100VG-AnyLAN (802.12) [1, 5].

Технология Fast Ethernet сохраняет случайный метод доступа CSMA/CD, оставив в нем тот же алгоритм и те же временные параметры в битовых интервалах, но уменьшив сам битовый интервал в 10 раз.

Основным отличием Fast Ethernet является сокращение диаметра сети примерно до 200 м, что объясняется уменьшением времени передачи кадра минимальной длины в 10 раз за счет увеличения в 10 раз скорости передачи по сравнению с Ethernet. В Fast Ethernet форматы кадров те же, межкадровый интервал – 0,96 мкс, битовый интервал – 10 нс, признак свободного состояния среды – передача специального символа простоя источника Idle (11111) используемого избыточного кода вместо отсутствия сигналов, как было в Ethernet.

Все различия технологий Ethernet и Fast Ethernet сосредоточены на физическом уровне (рис.3.9). Физический уровень Fast Ethernet включает три элемента [1]:

• независимый от среды интерфейс (Media Independent Interface, MII);

• подуровень согласования, необходимый для того, чтобы подуровень MAC, рассчитанный на интерфейс AUI, мог работать с физическим уровнем через интерфейс MII;

• подуровень «устройство физического уровня» (Physical Layer Device, PHY), включающий набор из 4 подуровней (сверху вниз):

• подуровень логического кодирования данных, преобразующий поступающие от подуровня MAC байты в символы кода 4B/5B или 8B/6T;

• подуровни физического присоединения и зависимый от физической среды (Physical Media Dependent, PMD), обеспечивающие формирование сигналов в соответствии с методом физического кодирования, например, NRZI или MLT-3;

• (факультативный) подуровень автопереговоров о скорости передачи (для витой пары), позволяющий двум взаимодействующим портам автоматически выбрать наиболее эффективный режим работы.

Связь со средой осуществляется через специальный разъем – «зависимый от среды интерфейс» (Media Dependent Interface, MDI).

Рис.3.9. Различия технологий Ethernet и Fast Ethernet

Более сложная структура физического уровня вызвана тем, что в ней используются 3 варианта кабельных систем. Каждый вариант отличается числом проводников, методом кодирования и составляет отдельную спецификацию физического уровня:

• 100Base-FX – для многомодового оптоволоконного кабеля, используются два волокна, метод логического кодирования – 4B/5B, код физического присоединения – NRZI;

• 100Base-TX – для двухпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP категории 5 или экранированной витой паре STP Type 1, метод логического кодирования – 4B/5B, код физического присоединения – MLT-3;

• 100Base-T4 – для четырехпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP категории 3, но использующего одновременно только три пары для передачи, а оставшуюся пару – для обнаружения коллизий. Метод логического кодирования – 8B/6T. Он обладает более узким спектром сигнала, который при скорости 33,3 Мбит/с как раз укладывается в полосу пропускания UTP категории 3. При логическом кодировании каждая полученная группа из 6 троичных цифр (6T) передается в одну из трех передающих витых пар (независимо и последовательно).

Стандарты 100Base-FX/TX могут работать не только в полудуплексном режиме, но и в дуплексном.

Отказ от коаксиального кабеля привел к тому, что сети Fast Ethernet всегда имеют иерархическую древовидную структуру, построенную на концентраторах, как и сети 10Base-T/F.

Технология 100Base-TX позволяет за счет процедуры автопереговоров двум портам выбирать наиболее эффективный режим работы – скорость 10 Мбит/с или 100 Мбит/c, а также полудуплексный или дуплексный режим передачи [1, 5, 20-22].

Правила построения сегментов Fast Ethernet с использованием повторителей. Технология Fast Ethernet, как и все варианты Ethernet, рассчитана на использование концентраторов-повторителей для образования связей в сети. Правила корректного построения сегментов сетей Fast Ethernet включают целый ряд ограничений:

• ограничения на максимальную длину сегментов между устройствами-источниками новых кадров. В их число входят: сетевой адаптер, порт моста, коммутатора или маршрутизатора, модуль управления сетью и т.п., но не входит порт повторителя. Причем, эти ограничения касаются только тех случаев, когда упомянутые устройства соединяются между собой непосредственно. Максимальные значения длины сегментов сведены в табл. 2 [1];

• ограничения на максимальную длину сегментов, соединяющих устройство-источник новых кадров с портом повторителя;

• ограничения на максимальный диаметр сети;

• ограничения на максимальное число повторителей и максимальную длину сегмента, соединяющего повторители.

Таблица 2

Спецификация	Тип кабеля	Максимальная длина сегмента
100Base-TX	UTP категории 5	100 м
100Base-FX	Многомодовое оптволокно 62,5/125 мкм	412 м (полудуплекс), 2000 м (дуплекс)
100Base-T4	UTP категории 3,4 или 5	100 м

В Fast Ethernet применяются повторители двух классов:

• повторители класса I – поддерживают оба метода логического кодирования (4B/5B и 8B/6T) и способны выполнять взаимную трансляцию этих логических кодов с битовой скоростью 100 Мбит/с. Поэтому они могут иметь порты всех трех типов физического уровня 100Base-TX/FX/T4;

• повторители класса II – поддерживают только один метод логического кодирования (4B/5B или 8B/6T). Поэтому они могут иметь только соответствующие ему порты: либо все порты 100Base-T4 (для 8B/6T), либо порты 100Base-TX и 100Base-TX (для 4B/5B).

В одном домене коллизий Fast Ethernet допускается альтернатива:

• один повторитель класса I, поскольку он вносит большую задержку (70 bt) из-за необходимости трансляции различных логических кодов;

• два повторителя класса II, поскольку они вносят меньшую задержку (46 bt для портов TX/FX и 33,5 bt для портов T4).

Таким образом, «правило 4-х хабов» превратилось для технологии Fast Ethernet в «правило одного или двух хабов» в зависимости от класса хаба.

Небольшое число повторителей в домене коллизий не является препятствием при построении больших сетей Fast Ethernet, поскольку применение коммутаторов и маршрутизаторов позволяет организовать несколько доменов коллизий на одном или двух повторителях каждый, причем без ограничений на общую длину сети.

Правила построения сети на основе повторителей класса I отражены в табл.3 [1, 5].

Таблица 3

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