Sieć komputerowa FAST ETHERNET

Wstęp

Wszechobecny Ethernet na tyle zadowalająco spełniał wymagania stawiane sieciom, że IEEE, jego "opiekun", regularnie go udoskonalał i aktualizował. Dwie najważniejsze aktualizacje dotyczyły zwiększenia prędkości przesyłania sygnałów. W pierwszej z tych szybszych sieci Ethernet prędkość wynoszącą pierwotnie 10 Mbps podniesiono do wartości 100 Mbps. Wymagało to opracowania całkowicie nowej warstwy fizycznej i wprowadzenia niewielkich zmian w warstwie łącza danych, która musiała zostać dopasowana do nowej warstwy fizycznej. Wydaje się, że ten nowy standard, nazwany Fast Ethernet, pobił sieci ATM (ang. Asynchronous Transfer Modę ? Tryb Transferu Asynchronicznego) na rynku szybkich sieci LAN. Druga z tych aktualizacji jest nieco bardziej radykalna. Większość specyfikacji warstwy 2 Ethernetu przeszczepiono na kompletnie inną warstwę fizyczną, zapożyczoną z technologii kanału światłowodowego l Gbps. Ta modyfikacja odmieniła Ethernet CSMA/CD w wielu aspektach. Jedna z najbardziej interesujących propozycji z tego okresu zakładała rezygnację z metody dostępu do nośnika CSMA/CD.

We wczesnych latach dziewięćdziesiątych publikacje branżowe pełne były entuzjastycznych recenzji nowego, rewolucyjnego protokołu LAN: ATM (trybu transferu asynchro-nicznego). Pierwotnie został on opracowany dla sieci rozległych (WAN). PóĽniej wyobrażano sobie, że ATM będzie wielkim unifikatorem. Miał zintegrować sieci LAN i WAN tak, że różnice między nimi stałyby czysto teoretyczne. Wszystkie inne technologie LAN, łącznie z Ethernetem, były skazane (tak niektórzy twierdzili) na odejście do lamusa. Ta wielka i wspaniala wizja została zniweczona przez liczne "przyziemne rozgrywki", z których najbardzie istotnym było powolne tempo rozwoju standardów i produktów ATM LAN oraz fakt, że świat Ethernetu nie chciał się poddać. Stary, nieefektywny Ethernetbazujący na zasadzie rywalizacji czekał cicho w ukryciu, aż konsorcjum ATM-owe przekroczyło masę krytyczną i pogrążyło w morzu konfliktów. Równie groĽnym wyzwa­niem stojącym przed ATM Forum były trudności z zapewnieniem zgodności wstecznej z istniejącymi, bardzo niekompatybilnymi infrastrukturami sieci LAN. To doprowadziło do przyjęcia koncepcji zastosowania Ethernetu 100 Mbps jako przejściowej alternatywy dla sieci lokalnych, gdzie docelowo będzie stosowany ATM. Rozwiązanie pośrednie było niezbędne, gdyż istniejące wolne sieci lokalne wykazywały oznaki starzenia w stosunku obsługiwanych przez nie procesorów i aplikacji. ATM nadal uważany był za rozwiązanie docelowe, ale rozgrywki polityczne wewnątrz ATM Forum. jak też praktyczne ograniczenia, spowalniały jego rozwój. W międzyczasie klienci głośno domagali się wydajniejszej technologii LAN. Podczas gdy świat czekał na ATM, Ethernet został szybko odświeżony. Protokoły warstwy łącza danych zostały zachowane, a prędkość przesyłania sygnału zwiększono o rząd wiel­kości, /modyfikowano warstwę fizyczną - wprowadzono szeregu nowych interfejsów Fizycznych, dostosowanych do zwiększonej częstotliwości taktowania. Było to niezbyt trudne. Nowy Ethernet by! dla administratorów sieci lokalnych rozwiązaniem alternatyw­nym wobec migracji do ATM-u. W trakcie prac zgłoszono wiele propozycji, ogólnie znanych pod nazwą Fast Ethernet. Gdy koncepcje zostały wspólnie przemyślane, rozmaite propozycje zebrano w dwóch rywalizujących grupach. Obydwie zostały przez IEEE przyjęte do rodziny standardów 802. Jedna z nich, znana dziś jako Fast Ethernet, jest po prostu tradycyjnym protokołem CSMA/CD 802.3 ze zwiększoną o rząd wielkości prędkością sygnału. Fast Ethernet został znormalizowany jako rozszerzenie istniejącego standardu 802.3. Druga, konkurencyjna propozycja otrzymała nazwę VG-AnyLAN i stała się standardem 802.12. Technologia ta, choć bardziej zaawansowana technicznie (ma możliwość dosto­sowania do transmisji izochronicznej), całkowicie odcięła się od Ethernelu 10 Mbps. Wiele względów zdecydowało, że ten standard nie znalazł szerszego zastosowania, choć jest dostępny w produktach wielu firm oferujących urządzenia dla Ethernelu.

Nośniki Fast Ethernetu

Rozszerzenia standardu 802.3 (do 100 Mbps) obejmują trzy różne interfejsy międzyno-śnikowe (MDI):

* 100BaseTX - określa oryginalną specyfikację 100BaseX dla nieekranowanej skrętki dwużylowej (UTP) i dla ekranowanej skrętki dwużylowej (STP) spełniającej wymagania Kategorii 5.
* 100BaseFX - określa Ethernet 100 Mbps z okablowanie światłowodowym. ł 100BaseT4 - opisuje Ethernet 100 Mbps z okablowaniem UTP Kategorii 3,4 i 5.

Jak dowodzą zastosowane konwencje nazewnicze w przypadku podanych trzech interfej­sów, Fast Ethernet zaadoptował dla nich własną formę skróconej notacji. Jeśli nie znasz klucza, skróty '.e mogą wydawać się bardzo zagmatwane. Na szczęście zapis jest względ­nie prosty i w pewien sposób mnemoniczny. Pierwsza liczba, w tym wypadku 100, określa szybkość przepływu danych dla danej specyfikacji. Potem następuje słowo: ?Base" oznacza transmisję w technologii szerokopasmowej. Ostatnie znaki mogą być znakami alfabe­tycznymi, numerycznymi i/lub specjalnymi. Określają fizyczne medium transmisyjne wykorzystywane w danej specyfikacji. Termin ?100BaseX" jest stosowany zarówno w odniesieniu do IOOBaseTX,jak i 100BaseFX. Podobnie jest w przypadku interfejsów dla skrętki dwużyłowej, 100BaseTX i IOOBaseT4, nazywanych czasami ?lOOBaseT". Należy jednak podkreślić, że IOOBaseX i lOOBaseT me są fizycznymi interfejsami! Są one ogólnymi nazwami grupy podobnych interfejsów. Dalsze nieporozumienia wywołuje niefortunna konwencja nazewnicza, przyjęta przez ko­mitet roboczy 802.3 dla schematów sygnalizacyjnych wykorzystywanych przez interfejsy Fast Ethernetu. Schematami tymi są 100Base4T+ i 100BaseX. Tak, właśnie 100BaseX. Tego samego terminu użyto dla opisania schematu sygnalizacyjnego oraz dwóch inter­fejsów fizycznych. Terminy "lOOBaseT" i "100BaseX" są stosowane w przypadkach, kiedy używa się ich w odniesieniu do obydwu fizycznych wariantów jednocześnie. Oprócz tego, gdy termin "lOOBaseX" pojawia się w kontekście schematu sygnalizacyjnego, jest z nim właśnie utożsamiany.

100BaseTX

Pierwsza klasyfikacja nośnika dla Fast Ethernetu nosi nazwę IOOBaseTX. Obejmuje ona kable ekranowanej skrętki dwużyłowej (STP) i nieekranowanej skrętki dwużyłowej (UTP) Kategorii 5. Druga klasyfikacja, IOOBaseFX, dotyczy światłowodu, a trzecia, 100BaseT4, Ethernetu 100 Mbps z kablami UTP Kategorii 3, 4 i 5. Wprowadzono również zmiany w warstwie sterowania dostępem do nośnika (MAC), aby mechanizmy tej warstwy, pier­wotnie przeznaczone dla sieci 10 Mbps, mogły pracować przy prędkości 100 Mbps. Ponieważ standard 100BaseTX jest rozszerzeniem specyfikacji Ethernetu IEEE 802.3, włożono wiele wysiłku, aby produkt ten w bardzo dużym stopniu przypominał lOBaseT. Przykładowo, lOBaseT może wykorzystywać dwie pary przewodów UTP Kategorii 3. Ważnym więc było, aby Fast Ethernet mógł korzystać z dwóch par przewodów, ponie­waż wtedy przejście na nowy standard nie pociąga za sobą konieczności wymiany okablo­wania sieci. Okablowanie Kategorii 3 nie zapewnia odpowiedniego pasma dla FastEt-hernetu IOOBaseTX, dlatego przyjęto za zasadę stosowanie kabli Kategorii 5- Wydaje się, że redukuje to zalety takiego standardu. Wielu administratorów sieci lokalnych stanęło przed problemem wymiany okablowania. Warto zauważyć, że choć specyfikacja IEEE 802.3 definiuje liczne interfejsy fizyczne dla Ethernetu 10 Mbps, to Fast Ethernet 100BaseTX najbardziej przypomina lOBaseT.

100BaseFX

lOOBaseFX jest światłowodowym odpowiednikiem l OOBaseTX. Mają one wspólny schemat sygnalizacyjny i technikę kodowania danych, ale wykorzystują różne nośniki fizyczne.

100BaseX

400 metrów, wykorzystując dwie żyły wielomodowego kabla światłowodowego o średnicy 62,5/125 mikrometrów. Znacznie rozszerza to zasięg sieci Fast Ethernet.

100 BaseT4

100BaseT4 umożliwia transmisję danych z szybkością 100 Mbps przez cztery pary prze­wodów telefonicznych na odległość do 100 metrów. Wykorzystywane przewody muszą odpowiadać co najmniej Kategorii 3 UTP. Możliwe jest także przeprowadzanie transmi­sji z wykorzystaniem lepszych kabli Kategorii 4 i 5. 4T+ nie obsługuje wiązek okablowania poziomego Kategorii 3, zawierających 25 par przewodów. Ten rodzaj kabla był dość powszechnie stosowany w systemach okablo­wania wielu starszych budynków biurowych. Jedną z najważniejszych różnic funkcjonalnych między IOOBaseT4 ajego ?rodzeństwem" jest to, że specyfikacja ta nie obsługuje sygnału ciągłego występującego między ramkami. Ten sygnał ciągły znany jest jako odstąp między ramkami. Zwykle urządzenie nadawcze wykorzystuje sygnał ciągły, aby utrzymać prawodo transmisji. Inne urządzenia interpre­tują ten nic nie znaczący łańcuch 96 bitów jako sygnał zajętości linii. Jeśli chcą nada­wać, ale ?słyszą" ten łańcuch, uruchamiają procedurę losowego oczekiwania. Specyfikacja, która nie obsługuje sygnału ciągłego, ma mniejszy pobór mocy. Jest to szczególnie ważne w przypadku urządzeń zasilanych z baterii, a także tam gdzie zużycie energii jest czynnikiem istotnym.2

Schematy sygnalizacyjne

Fast Ethernet używa dla swoich interfejsów dla skrętki dwużyłowej dwóch różnych sche­matów sygnalizacyjnych. Obydwa schematy, dość nieszczęśliwie nazwane 100BaseX i lOOBase4T+", obsługują transmisję danych z szybkością 100 Mbps. Szybkość taką można uzyskać przy maksymalnej odległości między koncentratorem a stacją roboczą wynoszącej 100 metrów i odległości między koncentratorami wynoszącej 10 metrów. Zastosowanie światłowodu pozwala zwiększyć odległość między koncentratorami.

Termin "zybkość transmisji danych" nie powinien być utożsamiany z prędkością przesy­łania sygnału! Fast Ethernet, o którym powszechnie mówi się, że obsługuje prędkość 100 Mbps, w rzeczywistości przesyła sygnał z prędkością 125 Mbps. Odejmując narzuty war­stwy fizycznej, w tym technikę kodowania, otrzymujemy szybkość transmisji danych wyno­szącą 100 Mbps. Tak samo jest w przypadku Ethernetu 10 Mbps: przesyła on sygnały z prędkością 12.5 Mbps, ale sieciowa szybkość transmisji danych wynosi 10 Mbps.

100Base4T+

Schemat sygnalizacyjny 100Base4T+ pozwala fizycznym interfejsom lOOBaseT korzystać z większości istniejącego okablowania Kategorii 3. Zastrzeżenie ?większość" jest konieczne. gdyż ten schemat sygnalizacyjny wymaga czterech par przewodów. Trzy pary służą do przenoszenia danych w obydwu kierunkach, w trybie półdupleksowym, podczas gdy czwarta para pracuje wyłącznie w trybie odbioru i służy do wykrywania kolizji. Jeśli czwarta para wykryje sygnał na drugim końcu kabla, informuje protokoły warstwy fizycznej, że w tej chwili nie powinny wysyłać danych. Pozostałe trzy pary służą do nadawania i odbioru danych, w trybie półdupleksu. Każda z tych par może obsługiwać transmisję danych z szybkością 33,33 Mbps. Razem daje to użyteczną szerokość pasma równą 100 Mbps. (Niech matematycy nie narzekają: 3X33,33 jest wystarczająco bliskie 100). Trójprzewodowe ścieżki są konieczne ze względu na schemat kodowania 8B6T wyko­rzystywany przez 100Base4T+. Istota jego działania polega na tym, że podwarstwa MAC przekazuje oktely danych binarnych warstwie fizycznej. Warstwa fizyczna konwertuje każdy oktet czy też 8 bitów (to jest właśnie część 8B nazwy 8B6T) na 6 znaków trójko­wych. Każda grupa 6 znaków trójkowych jest nazywana grupą 6T. Grupy 6T są następnie rozdzielane na trzy dostępne kanały szeregowe - czyli trzy pary przewodów służące do nadawania i odbioru danych. Dla czytelników ?zakochanych" w szczegółach technicznych: każdy znak trójkowy (z każ­dego oktetu powstaje ich 6) jest przesyłany w ciągu około 40 nanosekund, jeśli suma­ryczna prędkość sygnału wynosi 125 Mbps. 100BaseX został zaadaptowany do pracy z Ethernetem CSMA/CD z pełnodupleksowego mechanizmu sygnalizacyjnego FDD1. Mechanizm FDD1 obsługuje dwa interfejsy fizyczne: kabel UTP Kategorii 5 i wielomodowy światłowód 62.5/125 mikrometra. Interfejs FDDI (CDD1) nazywany jest także interfejsem skrętki dwużyłowej zależnym ud nośnika warstwy fizycznej (ang. TP-PMD - Twisted Pair Physical Medium Dependent In-terface}. Wykorzystuje on dwie pary skrętki UTP Kategorii 5 do obsługi pełnodupleksowej komunikacji z szybkością 100 Mbps na odległość do 100 metrów. Jeśli wykorzystywany jest kabel z czterema parami przewodów, pozostałe dwie pary mogą teoretycznie służyć do komunikacji telefonicznej, ale nie mogą być używane przez inną szybką sieć LAN. l OOBaseX obsługuje także interfejs FDDI F-PMD (ang. Fiber Physical Medium Dependent}, czyli wielomodowy kabel światłowodowy 62,5/125 mikrometr. Ten interfejs zapewnia peł-nodupleksową transmisje danych z szybkością 100 Mbps na odległość do 400 metrów. Schemat sygnalizacyjny 100BaseX wykorzystuje schemat kodowania 4B/5B. Przyjmuje on pólbajty (ang. nihbles), czyli 4 bity lub pół oktetu (kwartet) danych z podwarstwy MAC i ko­duje je w 5-bitowe znaki przeznaczone do transmisji. Znaki takie znane są jako grupy kodowe. 5-bitowe pole binarne pozwala na przenoszenie32 możliwych kodów. Kody te reprezentują 16 grup kodowych szesnastkowego zestawu znaków (od O do F). Dodatkowo 4 grupy kodo­we są wykorzystywane jako mechanizmy kontrolne transmisji. Pozostałych 12 możliwych kodów wykorzystuje się jako wypełniacz między strumieniami danych, wypełnienie stru­mienia danych lub pozostają one niezdefiniowane.

Maksymalna średnica sieci

Specyfikacje dla lOOBaseT obejmują uniwersalny koncentrator obsługujący obydwie war­stwy fizyczne. W sieci lOOBaseT można używać maksymalnie dwóch uniwersalnych kon­centratorów, oddalonych od siebie o nie więcej niż 10 metrów. W sieciach, klóre muszą obsługiwać większy obszar wykorzystuje się segmentację z wyko­rzystaniem routerów , która umożliwia korzystanie z więcej niż dwóch koncentratorów.

Podsumowanie sieci Fast Ethernet

Fast Ethernet jest rozszerzeniem specyfikacji IEEE 802.3 do 100 Mbps. Właściwie jest bardzo podobny do Ethernetu lOBaseT, ale działa dziesięć razy szybciej. Zwiększona szyb­kość transmisji danych wymusiła znaczne zmiany w warstwie dostępu do nośnika. Fast Ethernet szybko zadomowił się w środowisku sieci lokalnych. Wielu producentów wspomogło ten proces, oferując karty sieciowe (NIC) obsługujące dwie szybkości trans­misji: 10 i 100 Mbps. Takie karty albo mogą automatycznie (ang autosensing) wybierać optymalną prędkość, uwzględniając typ okablowania i odległość od koncentratora, lub też prędkość może być ustawiana ręcznie.

Autor: iRCOO