Основные идеи технологии АТМ.

Основная идея технологии состоит в комбинировании принципов коммутации пакетов и коммутации каналов. На рисунке приведён пример установления соединения через фиксирующие виртуальный канал коммутаторы АТМ (A, Е, C, D). Данные по этому каналу передаются ячейками (пакетами) одинаковой длины в 53 байта. Обе идеи (виртуальные канал и постоянный размер пакета) направлены на ускорение передачи.

Рис. 2.2.1. Соединение АТМ.

Регулирование (выравнивание) скорости с помощью коммутатора АТМ. Одно из возможных решений называется принципом «дырявого ведра» проиллюстрировано рисунком 2.2.2. В ведре (коммутаторе) с ячейками не только накапливается необходимое их количество, но и производится сортировка, обеспечивая «правильный» (в соответствии с приоритетом) порядок выхода пакетов в сеть АТМ.

Широкий диапазон скоростей и их согласованность со стандартными скоростями. В таблице 2.2.1 приведены скорости и примерные характеристики физической среды АТМ для локальных компьютерных сетей, в следующей таблице 2.2.2 – для глобальных сетей.

Характеристики физической среды АТМ для ЛВС.

Скорость Мбит/с	Физическая среда	Макс. расстояние между узлами м
25,6	UTP Cat. 3
51,84	UTP Cat. 3 Вол/опт. каб. Коаксиаль. каб.	100 2 000 400
100,0	Вол/опт. каб.	2 000
155,52	UTP Cat. 5, STP 1A Вол/опт. каб. Коаксиаль. каб.	100 2 000 200
622,08	Вол/опт. каб.

Характеристики физической среды АТМ для ГВС.

Скорость Мбит/с	Физическая среда	Макс. расстояние между узлами в км
1,544 (Т1)/2,048(Е1)	UTP Cat. 3	1,3
34,368(Т3)/44,736(Е3)	Твинаксиаль. каб.	0,4
51,84/155,52/622,08	Вол/опт. каб.	15 и более

Характеристики классов трафика в АТМ

Класс трафика	Пост. бит. скорость	Треб. временная синхр	Установ. соединения	Примеры
А	+	+	+	Голос, TV
В	-	+	+	Сжат. голос, TV
С	-	-	+	TCP
D	-	-	-	IP, Ethernet
X		Устанавлив-ся	пользоват-ем

 

Многообразие уровней адаптации технологии к протоколам верхних уровней. уровень адаптации АТМ представляет собой набор протоколов AAL1 – AAL5 преобразования пакетов верхних уровней в ячейки АТМ, структура которых показана на рисунке 2.3.4.

Стек АТМ

GFC (Generic Flow Control) – параметр взаимодействия конечного терминала и коммутатора.

VPI (Virtual Path Identifier) – идентификатор виртуального пути (общей части нескольких виртуальных каналов).

VCI (Virtual Channel Identifier) – идентификатор виртуального канала

PTI (Payload Type Identifier) – (3 бита) идентификатор типа ячейки – пользовательская или управляющая, имеет флаг перегрузки.

Приоритет потери ячейки CLP (Cell Loss Priority) – флаг кандидатов на удаление в случае необходимости.

HEC (Header Error Control) – контрольная сумма заголовка на базе расширенного кода Хэмминга.

В заключение следует отметить, что несмотря на несомненные преимущества АТМ перед другими технологиями, её массовому применению в локальных сетях препятствует высокая стоимость оборудования, в особенности коммутаторов.

Ethernet

Ethernet/IEEE 802.3 (от лат. luminiferous ether — светоносный эфир) – самая популярная технология LAN с методом доступа CSMA/CD.

Технология была создана в 70-х гг. доктором Робертом Меткалфом (Robert Metcalfe) как часть проекта «офиса будущего» и обеспечивала скорость 3 Мбит/с. В 1980 г. фирмы DEC-Intel-Xerox довели скорость до 10 Мбит/с и в 1985 г. технология была официально утверждена 802-м комитетом IEEE. До сих пор можно встретить «фирменные» варианты Ethernet под названиями Ethernet II/Ethernet DIX (DEC, Intel, Xerox) и Raw 802.3 (Novell), отличающиеся друг от друга небольшими изменениями формата кадра (пакета).

Иерархия протоколов Ethernet.

Рис. 2.3.1. Протоколы Ethernet

Согласно принятому IEEE стандарту канальный уровень технологии Ethernet делится на подуровень управления логическим каналом LLC (Logical Link Control), отвечающий за логику работы канального уровня, и подуровень доступа к среде MAC (Media Access Control), обеспечивающий формирование кадра.

Каждый узел сети снабжается уникальным MAC адресом из 6 байт, причём 3 байта (без двух старших бит) закрепляются в IEEE за производителем оборудования, а 3 оставшихся байта устанавливаются им самостоятельно.

Структура кадра представлена на рисунке 2.3.2.

Принимая кадры, сетевые адаптеры устройств считывают MAC адрес получателя и при его совпадении с собственным адресом помещают кадр во входной буфер для последующей обработки, в противном случае – кадр отбрасывается.

Старшие два бита адреса получателя в зависимости от назначения кадра устанавливаются программно при его отправке. Например, у широковещательного кадра, обращённого ко всем узлам сети, старший бит устанавливается в 1, у кадра, адресованного группе узлов, в 1 устанавливается следующий бит адреса и, наконец, у кадра, предназначенного конкретному узлу, оба старших бита — нулевые.

Физическая среда Ethernet

Физическая среда играет важную роль как в формировании стоимости компьютерной сети, так и в потенциальных возможностях её развития. Как следует из рисунка базовые типы кабельных систем технологии Ethernet могут быть построены на двух вида коаксиального кабеля, оптического кабеля или витой пары.

Устаревшие коаксиальные кабельные системы обозначаются как 10Base5 и 10Base2. Первая цифра 10 означает «физическую» скорость передачи сигналов в 10 Мбит/с, слово «Base» – использование всего доступного частотного диапазона кабеля и, наконец, вторая цифра 5 или 2 — округлённый диаметр коаксиального кабеля в десятых долях дюйма. Кабели этих типов имеют волновое сопротивление 50 Ом, маркируются как RG 8/11 и RG58 и называются толстым (thick) и тонким (thin) Ethernet.

Оптические кабели обобщённо обозначаются как 10BaseF (Fiber). Различают стандарт 10BaseFL (доработка комитета IEEE 802.3 более ранней (80-е годы) технологии FOIRL (Fiber Optic Inter Repeater Link) для оптоволоконного соединения узлов сети) и 10BaseFB – для магистральных соединений оптических концентраторов и повторителей, отстоящих друг от друга на расстоянии до 2 км. По своим оптическим характеристикам кабели делят на одномодовые, рассчитанные на использование лазеров, и многомодовые, предназначенные для более дешёвых светодиодных излучателей. Из-за относительно высокой стоимости оптического кабеля и сложности его прокладки оптические кабельные системы редко используются в ЛВС.

Самым распространённым в ЛВС типом кабельной системы является витая пара 10BaseT (Twisted), представляющая собой заключенные в общую оболочку 8 разноцветных скрученных попарно проводов (IEEE 802.3i), из которых в классической технологии Ethernet используется только 2 пары для передачи и приёма сигналов. Альтернативным обозначением витой пары является UTP (Unshielded Twisted Pair) – неэкранированная витая пара.

Категории витой пары

Категория	Верхняя частота (МГц)	Применение
		Телефон, сигнализация
		Телефон, ArcNet
		Телефон, 10BaseT
		Token Ring
	110(200)	100BaseT
		1000BaseT
	400(750)	1000BaseT

Современный подход к созданию кабельных систем предполагает использование UTP как для компьютерных, так и учрежденческих телефонных сетей. Использование физической топологии «звезда» и организация всех необходимых для работы сети коммутаций в едином центре получило название «структурированная кабельная системама» (СКС).

Стандарты Ethernet кроме UTP допускают применение более дорогой, используемой в технологии Token Ring, экранированной витой пары STP (Shielded Twisted Pair) Type 1A, отличающейся наличием общей экранирующей оболочки.

При построении ЛВС ограничение диаметра сети связано с явлениями затухания сигнала из-за неизбежных потерь, перекрёстными искажениями, отражениями и пр. Согласно принятым соглашениям для корректной работы сети длина соединительного кабеля не должна превышать 100 м. Для увеличения диаметра сети возможно использование последовательного соединения концентраторов (hub), которые усиливают поступивший от любого узла (другого концентратора) сигнал и повторяют его на всех остальных своих портах (выходах).

Для предотвращения неустранимых коллизий рекомендуется придерживаться «правила 4-х хабов», т. е. в пределах коллизионного домена использовать не более 4 концентраторов.

Правило 4-х хабов не ограничивает размеры сети, т. к. коллизионный домен ограничивается коммутатором (Switch), посылающим пакеты в конкретный порт назначения и не дублирующий его в другие порты, или маршрутизатором (Router), реализующим функции коммутации пакетов на сетевом уровне. Различают также шлюзы (Gateway) – маршрутизаторы, связывающие разнородные сети.

Важным аспектом построения физической среды Ethernet является выбор сетевых адаптеров (NIC – Network Interface Card), устанавливаемых в компьютеры и осуществляющих физический доступ к сети.

Типы шин сетевых адапторов.

Тип шины	Разрадность (бит)	Частота (МГц)	Скорость обмена Мбит/с-Мбайт/с
ISA (Industry Standard Architecture)		8,33	66,64-8,33
EISA (Enhanced ISA)		8,33	266,56-33,32
MCA (Micro Channel Architecture)		10,0	320,0-40,0
VLB (VESA Local Bus)		33,33	1066,56-133,33
PCI (Peripheral Connection Interface)		33,33	1066,56-133,33

По возможности прямой работы с оперативной памятью компьютера (Bus mastering)

По размеру буферной памяти (стандартно входные и выходные буферы имеют размер 2 кбайта)

По «интеллектуальным» способностям – remote wake up (удалённая активизация).

По режиму обмена: симплекс (только передача или приём), дуплекс (одновременная передача и приём) и полудуплекс (часть времени передача, часть – приём).

По возможности обработки приоритета пакета IEEE 802.1p (QoS – Quality of Service).

Высокоскоростной Ethernet

Fast Ethernet (IEEE 802.3u) – самая распространённая сейчас высокоскоростная технология LAN. С 1992 г. по 1995 г. коалиция фирм 3Com, SynOptics и др. усовершенствовала технологию Ethernet, сохраняя метод доступа CSMA/CD. В 1995 г. IEEE принял дополнение к 802.3 – стандарт 802.3u для скорости 100 Мбит/с, по которому допускается использование в одной сети двух скоростей одновременно (10 и 100 Мбит/с).

Успех технологии во многом связан с возможностью использования (как показано в таблице 2.3.2.1) уже проложенных для обычного Ethernet соединительных кабелей.

Наименование	Кабель	Макс. расстояние до конц. (м)
100BaseT4	UTP Cat.3
100BaseTX	UTP Cat.5
100BaseFX	Многомод. опт. вол.

Среда 100BaseT4 с использованием UTP Cat.3 применяются довольно редко из-за необходимости одновременной замены всего активного оборудования (концентраторов, коммутаторов, сетевых адаптеров и т. д.) в коллизионном домене. В этом типе физической среды используются все 4 пары кабеля UTP.

Среда 100BaseTX допускает использования в коллизионном домене двухскоростного активного оборудования. Естественно, скорость в 100 Мбит/с будет достигнута только, если оба узла поддерживают эту скорость. Как и в обычном Ethernet сигналы передаются только по 2-м из 4-х пар проводов.

Среда 100BaseFX использует 2 оптические нити.

Концентраторы технологии Fast Ethernet делятся на два касса:

класс I требует наличия портов всех видов (100BaseT4, 100BaseTX/FX)

класса II имеет порты либо типа 100BaseT4, либо типов 100BaseTX/FX

Поскольку концентраторы класса I преобразуют электрические сигналы (увеличение задержки) в пределах коллизионного домена рекомендуется иметь либо 1 концентратор класса I, либо 2 концентратора класса II, расстояние между которыми не должно превышать 5 м. Тем не менее, размеры сети по прежнему не ограничены, т. к. коллизионный домен ограничивается коммутатором, маршрутизатором или шлюзом.

Gigabit Ethernet (IEEE 802.3z/ав) – технология (1998-9 гг.) обеспечивает скорость 1000 Мбит/с и предназначена для локальных сетей с большим трафиком, возникающим, например, при широком использовании мультимедийных приложений, видеоконференций и т. д.

Физическая среда Gigabit Ethernet.

Наименование	Кабель	Макс. расстояние до конц. (м)
1000BaseSX/LX	Вол/опт. кабель	200-500
Twinax	Твинаксиальный кабель
1000BaseT	UTP Cat.5 и выше

Среда 1000BaseSX/LX согласно стандарту IEEE 802.3z (1998 г.) представляет собой коротковолновый (S –short) или длинноволновый (L –long) волоконно-оптический кабель.

Среда Twinax – двойной коаксиальный кабель применяется для соединения концентраторов/маршрутизаторов.

Среда 1000BaseТ по стандарту IEEE 802.3ав (1999 г.) есть витая пара на ниже 5 категории. Для передачи сигналов в этой среде используется все 4 пары проводов. При прокладке кабеля предъявляются особые требования по недопущению резких изгибов, близости силовых установок и т. д.

В пределах коллизионного домена рекомендуется иметь не более 1-го концентратора технологии Gigabit Ethernet.

В настоящее время комитетом 802 IEEE активно ведутся работы по стандартизации технологии 10 Gigabit Ethernet (IEEE 802.3ae).