Технология Gigabit Ethernet описывается двумя стандартами: IEEE 802.3z (1998 год) и IEEE 802.3ab (1999 год). Разработчики стандартов старались максимально сохранить идеи классического Ethernet. Как и при переходе от Ethernet к Fast Ethernet, основное новшество состояло в десятикратном (по сравнению с Fast Ethernet) уменьшении длительности битового интервала – до 1нс. Для того, чтобы сохранить максимальный диаметр домена коллизий на уровне 200м, пришлось увеличить минимальный размер кадра с 64 до 512 байт (4096 bt). Если передается короткий кадр, его поле данных должно быть дополнено до требуемой длины запрещенными символами. С другой стороны, эти ограничения диктуются необходимостью распознавания коллизий, что существенно только для полудуплексного режима работы. Для Gigabit Ethernet более характерен дуплексный режим, при котором длина кабельного сегмента ограничивается не временем двойного оборота, а затуханием сигнала и частотными свойствами линии.
Для снижения накладных расходов при передаче коротких кадров (например, подтверждений приема пакетов), предусмотрен пакетный режим передачи (Burst Mode). Узел может передать подряд несколько небольших кадров (не дополняя каждый из них до 512 байт), суммарной длиной не более 8192 байт. Отдельные кадры в такой группе могут быть адресованы разным получателям.
Стандарт IEEE 802.3z определяет следующие версии: 1000BaseSX, 1000BaseLX, 1000BaseCX.
Версия 1000BaseSX определяет работу по многомодовому оптоволокну на длине волны 850 нм. Максимальная длина сегмента при работе в полудуплексном режиме составляет 100 м. В дуплексном режиме максимальная длина кабеля зависит от его полосы пропускания и может достигать 800 м.
Версия 1000BaseLX определяет работу по многомодовому или одномодовому оптоволокну на длине волны 1310 нм. Максимальная длина сегмента для одномодового волокна достигает 5 км, а для многомодового – 550 м.
Версия 1000BaseCX использует в качестве среды передачи твинксиальный (twinaxial) кабель, представляющий собой два коаксиальных кабеля (волновое сопротивление 75 Ом) в общей оплетке. По такому кабелю можно организовать только полудуплексный режим. Максимальная длина сегмента составляет 25 м, поэтому такой кабель наиболее применим для связи оборудования в пределах одной комнаты.
Стандарт IEEE 802.3ab определяет версию Gigabit Ethernet на витой паре 5 категории - 1000BaseT. Сигнал физически кодируется с использованием 5 уровней потенциала (код PAM-5) и передается одновременно по четырем парам. Код PAM-5 на тактовой частоте 125 МГц укладывается в полосу пропускания 100 МГц кабеля 5 категории. Для дуплексного режима передача ведется одновременно в обоих направления, а для выделения принимаемого сигнала, приемник вычитает из принятой смеси сигналов свой собственный сигнал. Для выполнения этой операции используются цифровые сигнальные процессоры.
Технология 100VG-AnyLAN
Комитет IEEE 802.12 в 1995 году принял технологии 100VG-AnyLAN, использующую новый метод доступа Demand Priority (приоритет запросов) и поддерживает кадры двух форматов – Ethernet и Token Ring. Эта технология была разработана фирмами Hewlett-Packard и AT&T. Аббревиатура VG (Voice Grade, для голоса) указывает на применимость технологии для телефонии, а AnyLAN (любая ЛВС) означает возможность работы с Ethernet и Token Ring.
Метод доступа Demand Priority основан на централизованном арбитраже доступа к среде передачи. Концентратор циклически опрашивает узлы, подключенные к его портам. Если узел желает передать кадр, он сообщает об этом концентратору и указывает приоритет кадра (всего определено два приоритета - низкий и высокий). Пока сеть занята, запрос ставится концентратором в очередь, обслуживаемую в порядке поступления запросов, но с учетом приоритетов. Если к порту подключен другой концентратор, то концентратор верхнего уровня ожидает, пока он не закончит опрос своих портов. Если сеть свободна, концентратор разрешает передачу пакета, анализирует адрес получателя, и передает кадр только на тот порт, к которому подключен получатель. Фактически, концентратор 100VG-AnyLAN выполняет функции моста: он ведет таблицу MAC-адресов и соответствующих им портов. MAC-адреса узлов определяются в момент их подключения. В отличие от моста, концентратор 100VG-AnyLAN не выполняет буферизацию кадров, а побитно транслирует их в нужный порт.
Первоначальный вариант технологии 100VG-AnyLAN подразумевал использование 4 витых пар категории 3 (и выше). Позже были разработаны версии 100VGF-AnyLAN, работающие по двум парам категории 5 или по многомодовому оптоволокну.
При работе по витой паре 3 категории (гарантированная полоса пропускания 16 МГц), технология 100VG-AnyLAN задействует четыре пары для полудуплексной передачи (дуплексный режим не поддерживается). При этом по каждой паре передается 25 Мбит/с. Логическое кодирование – 5B/6B, физическое – NRZ.
Используется только строго иерархическая топология, допускается наличие до пяти уровней концентраторов. Длина любого кабельного сегмента (узел-концентратор или концентратор-концентратор) при использовании витой пары категории 3 - не более 100 м, а категории 5 – до 200 м. Диаметр сети может достигать 2 км. Максимальное количество узлов в сети – до 1024 (рекомендуется – до 250).
Технология 100VG-AnyLAN не определяет своего формата кадра, а может использовать либо кадры Ethernet 802.3, либо кадры Token Ring 802.5, но в одной сети может использоваться только один тип кадра. Оборудование 100VG-AnyLAN физически несовместимо с оборудованием других технологий, однако выпускались адаптеры 100VG-AnyLAN со встроенной поддержкой Ethernet (и двумя отдельными разъемами для подключения к сети 100VG-AnyLAN и к сети Ethernet). Такие адаптеры позволяли более плавно перейти от Ethernet к 100VG-AnyLAN, заменив сначала адаптеры, и только потом концентратор.
Централизованное управление доступом и наличие системы приоритетов позволяет использовать 100VG-AnyLAN для приложений, чувствительных ко времени отклика – мультимедийных приложений, видеоконференций и т.п.
Технология 100VG-AmyLAN не выдержала конкуренции с более простым и преемственным (по отношению к Ethernet) стандартом Fast Ethernet, и в настоящее время не развивается.
ТРЕБОВАНИЯ К СЕТЯМ
Главным требованием, предъявляемым к сетям, является выполнение сетью того набора услуг, для оказания которых она предназначена: например, предоставление доступа к файловым архивам или страницам публичных web-сайтов, обмен электронной почтой в пределах предприятия или в глобальных масштабах, интерактивный обмен речевыми сообщениями IP-телефонии и т. п. Все остальные требования — производительность, надежность, совместимость управляемость, защищенность, расширяемость и масштабируемость — связаны с качеством выполнения основной задачи. И хотя все эти требования весьма важны, часто понятие «качество обслуживания» (Quality of Service, QoS) компьютерной сети трактуется более узко — в него включаются только две самые важные характеристики сети — производительность и надежность.
Производительность
Потенциально высокая производительность — это одно из основных преимуществ распределенных систем, к которым относятся компьютерные сети. Это свойство обеспечивается принципиальной, но к сожалению не всегда практически реализуемой возможностью распараллеливания работ между несколькими компьютерами сети. Существует несколько основных характеристик производительности сети:
- время реакции;
- скорость передачи данных;
- задержка передачи и вариация задержки передачи.
Время реакции сети является интегральной характеристикой производительности сети с точки зрения пользователя. Именно эту характеристику имеет в виду пользователь, когда говорит: «Сегодня сеть работает медленно».
В общем случае время реакции определяется как интервал времени между возникновением запроса пользователя к какой-либо сетевой службе и получением ответа на этот запрос. Очевидно, что значение этого показателя зависит от типа службы, к которой обращается пользователь, от того, какой пользователь и к какому серверу обращается, а также от текущего состояния элементов сети — загруженности сегментов, коммутаторов и маршрутизаторов, через которые проходит запрос, загруженности сервера и т. п.
Поэтому имеет смысл использовать также и средневзвешенную оценку времени реакции сети, усредняя этот показатель по пользователям, серверам и времени дня (от которого в значительной степени зависит загрузка сети). Время реакции сети обычно складывается из нескольких составляющих. В общем случае в него входит время подготовки запросов на клиентском компьютере, время передачи запросов между клиентом и сервером через сегменты сети и промежуточное коммуникационное оборудование, время обработки запросов на сервере, время передачи ответов от сервера клиенту и время обработки получаемых от сервера ответов на клиентском компьютере. Ясно, что разложение времени реакции на составляющие не интересует пользователя — ему важен конечный результат, однако для сетевого специалиста очень важно выделить из общего времени реакции составляющие, соответствующие этапам собственно сетевой обработки данных, — передачу данных от клиента к серверу через сегменты сети и коммуникационное оборудование.
Знание сетевых составляющих времени реакции дает возможность оценить производительность отдельных элементов сети, выявить узкие места и в случае необходимости выполнить модернизацию сети для повышения ее общей производительности.
Скорость передачи данных отражает объем данных, переданных сетью или ее частью в единицу времени. Пропускная способность уже не является пользовательской характеристикой, так как она говорит о скорости выполнения внутренних операций сети — передаче пакетов данных между узлами сети через различные коммуникационные устройства. Зато она непосредственно характеризует качество выполнения основной функции сети — транспортировки сообщений — и поэтому чаще используется при анализе производительности сети, чем время реакции. Скорость передачи данных измеряется либо в битах в секунду, либо в пакетах в секунду. Пропускная способность может быть мгновенной, максимальной и средней.
Средняя скорость вычисляется путем деления общего объема переданных данных на время их передачи, причем выбирается достаточно длительный промежуток времени — час, день или неделя.
Мгновенная скорость отличается от средней скорости тем, что для усреднения выбирается очень маленький промежуток времени — например, 10 мс или 1 с.
Максимальная скорость — это наибольшая мгновенная пропускная способность, зафиксированная в течение периода наблюдения. Максимально достижима; скорость передачи данных называется пропускной способностью элемента сети Чаще всего при проектировании, настройке и оптимизации сети используются такие показатели, как средняя и максимальная пропускные способности. Средняя пропускная способность отдельного элемента или всей сети позволяет оценить работу сети на большом промежутке времени, в течение которого в силу закона больших чисел пики и спады интенсивности трафика компенсируют друг друга. Пропускная способность позволяет оцепить возможности сети справляться с пиковыми нагрузками, характерными для особых периодов работы сети, например утренних часов, когда сотрудники предприятия почти одновременно регистрируются в сети и обращаются к разделяемым файлам и базам данных.
Пропускную способность можно измерять между любыми двумя узлами или точками сети, например между клиентским компьютером и сервером, между входным и выходным портами маршрутизатора. Для анализа и настройки сети очень полезно знать данные о пропускной способности отдельных элементов сети. Важно отметить, что из-за последовательного характера передачи данных различными элементами сети, общая пропускная способность любого составного пути в сети будет равна минимальной из пропускных способностей, составляющих элементов маршрута. Для повышения пропускной способности составного пути необходимо в первую очередь обратить внимание на самые медленные элементы. Иногда полезно оперировать общей пропускной способностью сети, которая определяется как максимальное количество информации переданной между всеми узлами сети в единицу времени. Этот показатель характеризует качество сети в целом, не дифференцируя его по отдельным сегментам или устройствам.
Обычно при определении пропускной способности сегмента или устройства передаваемых данных не выделяется трафик какого-то определенного пользователя, приложения или компьютера — подсчитывается общий объем передаваемой информации. Тем не менее, для более точной оценки качества обслуживания такая детализации желательна, и в последнее время системы управления сетям все чаще позволяют ее выполнять.
Задержка передами определяется как задержка между моментом поступления данных на вход какого-либо сетевого устройства или части сети и моментом появления их на выходе этого устройства. Этот параметр производительности по смыслу близок ко времени реакции сети, но отличается тем, что всегда характеризует только сетевые этапы обработки данных, без задержек обработки конечными узлами сети. Обычно качество сети характеризуют величинами максимальное задержки передачи и вариацией задержки. Не все типы трафика чувствительны к задержкам передачи, во всяком случае, к тем величинам задержек, которые характерны для компьютерных сетей, — обычно задержки не превышают сотен миллисекунд, реже — нескольких секунд. Такого порядка задержки пакетов, порождаемых файловой службой, службой электронной почты, мало влияют на качество этих служб с точки зрения пользователя сети. С другой стороны, такие же задержки пакетов, переносящих голосовые данные или видеоизображение, могут приводить к значительному снижению качества предоставляемой пользователю информации — возникновению эффекта эха, невозможности разобрать некоторые слова, дрожание изображения и т. п.
Пропускная способность и задержки передачи являются независимыми параметрами, так что сеть может обладать, например, высокой пропускной способностью, но вносить значительные задержки при передаче каждого пакета. Пример такой ситуации дает канал связи, образованный геостационарным спутником. Пропускная способность этого канала может быть весьма высокой, например 2 Мбит/с, в то время как задержка передачи всегда составляет не менее 0,24 с, ч го определяется скоростью распространения электрического сигнала (около 300 000 км/с) и длиной канала (72 000 км).