Повторитель Repeater (концентратор hub)
Это многопортовое устройство, которое позволяет объединить несколько сегментов. Принимая кадр или сигнал коллизии по одному из своих портов, повторитель перенаправляет его вов все остальные порты. Распространены устройства с несколькими портами на витую пару (12,16 и 24 порта RJ-45), одним портом BNC, одним портом AUI. Популярны мини-повторители, имеющие порты только на витую пару 4 или 8. Повторители Ethernet работают на физическом уровне модели OSI, что обеспечивает их низкую стоимость и выгодно отличает от концентраторов.
Порты RJ-45 типа MDI и MDI-X. Порт RJ-45 имеет 8 контактов. Кабель называется прямым, когда контакты 1-8 порта RJ-45 на одной стороне соединены с соответствующими контактами на другой стороне. Соединение прямым кабелем можно осуществлять только между разными типами портов. При этом кабель представлен четырьмя витыми парами, которые принято нумеровать следующим образом: пара 1 - контакты 1, 2; пара 2 - контакты 3, 6; пара 3 - контакты 4, 5; пара 4 - контакты 7, 8.
В стандарте 10Base-Т для передачи используются только две витые пары кабеля: 1 и 2, остальные две не задействованы. Интерфейс MDI (или DTE) имеет устройство, которое осуществляет передачу по паре 1 и соответственно прием по паре 2. И наоборот, интерфейс MDI-X имеет устройство, которое осуществляет передачу по паре 2 и соответственно прием по паре 1. Для соединения двух однотипных портов RJ-45 прямой кабель не годится Вместо него используется кросс-кабель, который обеспечивает соединение контактов 1-3. 2-6, 3-1, 6-2, 4-4, 5-5, 7-7, 8-8.
Большинство RJ-45 портов повторителей делаются типа MDI-X, что позволяет подключать рабочие станции при помощи прямого кабеля. Для удобства обычно один порт повторителя имеет переключатель и может поддерживать режим MDI. Так, в конфигурации сети на рис. 7.10 связь между повторителями 1 и 2, а также 3 и 2 можно осуществить прямым кабелем, если соответствующие порты RJ-45 повторителей 1 и 3 переключить в режим MDI, (порты повторителя 2 - стандартные MDI-X).
Jabber-функция. Каждому узлу сети Ethernet отводится определенное время, в течение которого он должен передать кадр. В нормальных условиях, когда нет коллизий, кадр максимальной длины 1518 байт передается рабочей станцией в течение 1,2 мс. Затем в течение времени межкадрового интервала линия остается свободной. При сильной загруженности сегмента (большое число станций пытаются передавать одновременно, и велико число коллизий) время, в течение которого линия может быть занята, сильно возрастает. Если такой загруженный сегмент подключен к одному из портов повторителя и инициирует длительный сигнал без замолкания (jabber signal - дословно, .болтовня), то повторитель прекратит ретрансляцию данных и коллизий из этого сегмента в другие сегменты, таким образом полностью исключив перегруженный сегмент. Для этой цели концентратор поддерживает специальную jabber-функцию. Стандартом установлено не конкретное время срабатывания, а окно приема непрерывного сигнала от 20 до 150 мс, при котором концентратор должен исключать "плохой" сегмент. Jabber-функция - полезное свойство повторителя, на основе которой последний может исключать как перегруженный коллизионный сегмент, так и неисправный сегмент, или неисправную станцию, которые передают длительный сигнал, и, тем самым, предоставляет возможность работать пользователям, подключенным к другим портам .
Отметим, что хотя витая пара (IOBase-Т) и двухволоконный оптический кабель (10Base-FL) являются дуплексными средами, т.е. передача и прием сигнала происходят по независимым каналам, сам по. себе повторитель Ethernet не позволяет обеспечить дуплексную передачу и создает вокруг себя коллизионный момент. при этом сеть функционирует так, как будто реализована шинная топология. Сигнал коллизии передается концентратором во все порты, всякий раз, когда на какие-либо два его порта одновременно или почти одновременно начинают поступать данные. Из-за этого пропускная способность концентратора не может быть выше 10Мбит/с.
Обнаружение коллизий при физической топологии типа "звезда" (стандарты 10Base-T и 10Base-FL) с использованием повторителей несколько отличается от случая, когда используется физическая топология "шина" (стандарты 10Base2 и 10Base5). Поскольку каналы связи по витой паре и по оптическому волокну дуплексные, то накладка сигналов от разных передающих устройств, свойственная коаксиальной кабельной системе и приводящая к изменению постоянной составляющей электрического потенциала в канале связи, исключена. Сигнал коллизии должен специально генерироваться устройством или устройствами, которые обнаружили коллизию. Процедура обнаружения коллизий при физической топологии "звезда" с несколькими повторителями показана на рис. 7.10.
Если передает только один узел (А), то каждый повторитель ретранслирует каждый получаемый кадр во все остальные, свои порты (рис. 7.10 а). Все остальные узлы коллизионного Домена регистрируют передачу кадра, но только один узел, а именно тот, которому адресован кадр,принимает его и передает его содержимое протоколу более высокого уровня . Коллизий нет.
Если два узла (например, А и В) начинают передачу одновременно или почти одновременно, то коллизию обнаруживает повторитель 1 (рис. 7.10 б), который после этого во все свои порты выдает сигнал наличия коллизии СР (collision presence). Передаваемые узлы А и В обнаруживают коллизию, поскольку принимают другие сигналы во время передачи собственных передач, после чего отменяют передачу своих кадров, передают сигналы jam и затем замолкают. Повторитель 1 прекращает передавать сигнал СР, когда на его входные порты перестают поступать сигналы. Повторитель 2, получая сигнал СР от концентратора 1, транслирует его во все остальные порты. То же самое делает повторитель 3.
На рис. 7.6 в показан пример разрешения коллизии при передаче трех узлов А, В и Е Зафиксирован момент, когда повторитель 2 уже обнаружил сигнал коллизии C? от повторителя 1 и передачу кадра от узла Е. Поэтому повторитель 2 выдает выходной сигнал СР во все порты. Повторитель 1, получая сигнал по трем портам, выдает сигнал СР во все свои порты. Итак, повторитель работает следующим образом (рис. 7.10):
когда повторитель получает кадр или сигнал СР только на один из своих портов, он транслирует кадр или сигнал СР во все остальные порты (трансляция в остальные порты идет только до тех пор, пока поступают данные на один из портов);
когда повторитель получает кадры или сигналы СР по двум или более портам, он транслирует сигналы СР во все порты без исключения (трансляция во все порты сигналов СР идет только до тех пор, пока поступает сигнал на два или более портов).
Коммутаторы Ethernet
Коммутатор
Коммутатор - многопортовый мост. Коммутатор работает на втором канальном уровне ОSI модели. Главное назначение коммутатора - обеспечение разгрузки сети посредством локализации трафика в пределах отдельных сегментов. Ключевым звеном коммутатора является архитектура без блокирования (non-blocking), которая позволяет установить множественные связи Ethernet между разными парами портов одновременно, причем кадры не теряются в процессе коммутации. Сам трафик между взаимодействующими сетевыми устройствами остается локализованным. Локализация осуществляется с помощью адресных таблиц, устанавливающих связь каждого порта с адресами сетевых устройств, относящихся к сегменту этого порта, рис. 7.11.
Просмотр ролика
Таблица заполняется в процессе анализа коммутатором адресов станций-отправителей в передаваемых ими кадрах. Кадр передается через коммутатор локально в соответствующий порт только тогда, когда адрес станции назначения, указанный в поле кадра, уже содержится в адресной таблице этого порта. В случае отсутствия адреса станции назначения в таблице, кадр рассылается во все остальные сегменты. Если коммутатор обнаруживает, что МАС-адрес станции назначения у приходящего кадра находится в таблице МАС-адресов, приписанной за портом, по которому пришел данный кадр, то этот кадр сбрасывается - его непосредственно получит станция назначения, находящаяся в том же сегменте. И наконец, если приходящий кадр является широковещательным (broadcast), т.е. если все биты поля МАС-адреса получателя в кадре задаются равными 1, то такой кадр будет размножаться коммутатором (подобно концентратору), т.е. направляться во все остальные порты.
Различают две альтернативные технологии коммутации:
1. без буферизации (cut-through, также используется термин on-the-fly - на лету);
2. с буферизацией SAF (store-and-forward, также используется термин buffered switching -буферная коммутация).
Коммутатор, работающий без буферизации (рис. 7.12 а), практически сразу же после чтения заголовка, а именно МАС-адреса станции получения и выполнения идентификации, перенаправляет получаемый кадр в нужный порт, не дожидаясь его полного поступления. Главное преимущество такой технологии - малая задержка пакета при переадресации, которая составляет у наиболее быстрых коммутаторов 140-150 ВТ (1,4-1,5 мкс). Главный недостаток в том, что такой коммутатор будет пропускать из одной сети в другую дефектные кадры (укороченные - меньше 64 байт. или имеющие ошибки), так как выявление ошибок может происходить только после чтения всего кадра и сравнения рассчитанной контрольной суммы с той, которая занесена в поле контрольной последовательности кадра. Распространение ошибок в большей степени касается сетей Ethernet с более, чем одним подключенным пользователем на порт. В этом случае протокол Ethernet может генерировать как укороченные, так и поврежденные кадры, поскольку коммутатор не может предвидеть возникновение коллизий в сегменте, из которого поступает кадр.
Современные коммутаторы cut-through используют более продвинутый метод коммутации, который носит название ICS (interim cut-through switching - промежуточная коммутация на лету). Суть этого улучшения заключается в отфильтровывании укороченных кадров, т.е. кадров с длиной меньше 64 байт (512 бит). До тех пор, пока коммутатор не принял первые 512 бит кадра, он не начинает ретранслировать кадр в соответствующий порт. Если кадр заканчивается раньше, то содержимое буфера очищается, кадр отфильтровывается. Несмотря на увеличение задержки до 512 ВТ и более (> 5,12 мкс), метод ICS значительно лучше традиционного cat-through, поскольку не пропускает укороченные кадры. К главному недостатку ICS относится возможность пропускания дефектных пакетов длиной, больше 64 байт. Поэтому коммутаторы ICS не годятся на роль магистральных коммутаторов.
Напротив, коммутатор, работающий с буферизацией (рис. 7.12 б), прежде чем начать передачу кадра в порт назначения, полностью принимает его, буферизует. Кадр сохраняется в буфере до тех пор, пока анализируется адрес назначения (destination address, DA) и сравнивается контрольная последовательность кадра FCS, после чего коммутатором принимается решение о том, в какой порт перенаправить кадр или вообще его не передавать (отфильтровать) Главное преимущество коммутации с буферизацией в том, что в этом методе гарантируется передача только "хороших" кадров. Коммутаторы с портами, работающими на разных скоростях, например Ethernet и Fast Ethernet, равно как и коммутаторы-мосты Ethernet-FDDI могут работать только на основе технологии коммутации с буферизацией. Максимальную задержку имеет кадр наибольшей длины 1512 байт (1512х64= 96768 ВТ =1 мс). Однако недостаток, связанный с задержкой кадра на время буферизации, не считается критичным, поскольку идет непрерывный поток кадров. Более того, основная причина задержки связана с пакетными очередями при буферизации на входных и выходных портах коммутатора. Поэтому в настоящее время большое предпочтение со стороны фирм-производителей отдается этой технологии коммутации.
Обратное давление. Входные и выходные буферы требуются коммутатору, чтобы уменьшить количество теряемых кадров при перегруженности одного из выходных портов. Однако это не дает полного спасения при длительных передачах.
Например допустим, в порт1 постоянно передаются данные из портов 2, 3 и 5. Если скорости передачи по всем портам одинаковые и равны скорости канала, то после заполнения соответствующих буферов кадры начнут теряться коммутатор будет просто сбрасывать вновь входящие кадры по портам 2, 3 и 5. Потери пакетов означают, что посредством протокола более высокого уровня (например, на уровне сессий для протокола TCP/IP), будет производиться повторная передача кадров. Но поскольку в протоколе задействованы конечные устройства, то времена между первоначальной и повторной передачами кадра могут быть большими.
Для предотвращения этого современные коммутаторы обладают функциональной возможностью контроля и управления потоками (flow control) поступающих в порты кадров. Для коммутаторов Ethernet эта функция известна как обратное давление (ВР, back pressure), рис. 7.13. Ограниченность выходного канала по порту 1 приводит к заполнению входных буферов на портах 2, 3 и 5. Узел ВР коммутатора, обнаруживая это, начинает передачу пустых кадров в те каналы, от которых переполняются входные буферы портов. Так, если переполняется входной буфер по порту 2, то пустые кадры коммутатор шлет в сегмент В, умышленно создавая коллизии в этом сегменте, в результате которых уменьшается поток кадров от передающего устройства в этом сегменте. Вместо генерации холостых кадров при отработке механизма обратного давления в коммутаторах может использоваться генерация сигнала затянувшейся передачи, причем последний метод считается более эффективным средством от потери кадров.
Отметим, что механизм обратного давления можно реализовать исключительно в коммутаторах Ethernet, поскольку этот механизм напрямую использует возможности протокола CSMA/CD.
Порты RJ-45 коммутаторов делают типа MDI-X . Современные коммутаторы имеют множество дополнительных возможностей: например поддержка дуплексного режима передачи.
11. ЛВС Token Ring. Функциональные процессы: инициализация станцыи, процесс аварийной сигнализации.
ЛВС Token Ring: Функциональные процессы (аппаратно реализованы в м.п наборе)
Соперничество за монитор
Когда кольцо только начинает работать, даже если к нему подключена только одна станция, обмен данными становится возможным только после назначения активного монитора. Если в функционирующем кольце активный монитор "исчез", или начал терять работоспособность, перед тем, как перезапустить кольцо, должен быть выбран новый активный монитор.
Процесс назначения активного монитора в ЛВС Token Ring используется процесс, называемый соперничеством за монитор, или требование маркера. Этот процесс инициируется станцией, первой обнаружившей, что активный монитор исчез. В кольце, начавшем функционировать впервые, активным монитором обычно является первая из подключенных к кольцу станций. В работающем кольце такой станцией, как правило является сосед-последователь старого монитора.
Станция кольца запускает процесс соперничества за монитор, обнаружив либо отсутствие активного монитора, либо некорректность в его работе.
Для этого станция начинает передавать через каждые 20мс специальный кадр управления доступом к среде - УДС-кадр требования маркера. Станция начинает передачу не дожидаясь поступления свободного маркера.
Все остальные станции вовлекаются в процесс соперничества за монитор или переходят в режим ретрансляции требования маркера сразу же после поступления к ним этого кадра. Во время соперничества за монитор передача данных приостанавливается. новым активным монитором становится станция, участвующая в соперничестве за монитор и имеющая наибольший (универсальный или локальный) адрес в ЛВС Token Ring.
Станция, запустившая процесс соперничества за монитор, продолжает передавать кадры требования маркера до тех пор, пока не наступит одно из следующих событий:
· Станция получает кадр требования маркера с адресом источника, большим ее собственного адреса, в этом случае станция кольца перестает передавать требования маркера и переходит в режим ретрансляции требования маркера.
· Станция последовательно получает три собственных УДС-кадра требования маркера, после этого станция побеждает в соперничестве за монитор, становится новым активным монитором.
Чтобы станция стала участником процесса соперничесва за монитор, она должна быть помечена как участник сервером параметров кольца или сервером отчета о конфигурации при загрузке драйвера ее адаптера.
Просмотр ролика
Процесс опроса кольца
Каждые 7 с активный монитор запускает процесс опроса кольца, предназначенный:
· Для оповещения всех резервных мониторов, что активный монитор действует.
· Для оповещения всех станций кольца, что кольцо функционирует корректно.
· Для разрешения станциям кольца идентифицировать своего соседа-предшественника.
при опросе кольца используются УДС-кадры двух типов: УДС-кадр наличия активного монитора и УДС-кадр наличия резервного монитора. Эти кадры являются широковещательными сообщениями Token Ring (с адресом получателя C0 00 FF FF FF FF)
При обнулении своего таймера Т(оповещение соседа) активный монитор (станция А) ожидает поступления свободного маркера, а затем передает УДС-кадр наличия активного монитора. Резервный монитор (станция В) , сосед- последователь активного монитора, является первой станцией, получившей переданный кадр.
Станция В знгает об этом, поскольку в поступившем кадре индикатор распознанного адреса ARI и индикатор копирования кадра FCI равны 0. Этот факт также указывает станции В на то, что станция А - ее ближайший активный предшественник. Станция В запоминает адрес станции А (сохранияемый адрес предшественника) в своем сетевом адаптере.
Станция В обнуляет свой таймер Т(получение оповещения) и, ретранслируя УДС-кадр, устанавливает в 1 его индикаторы распознанного адреса ARI и копирования кадра FCI .
Любая другая станция кольца ретранслирует кадр наличия активного монитора. Т.К. значения индикаторов ARI и FCI равны 1, то эти станции знают, что получили кадр не первыми, поэтому не считают источник кадра своим ближайшим активным предшественником и не запоминают его адрес. Поскольку кадр является кадрам наличия активного монитора, станции обнуляют свои таймеры Т(получение_оповещения)
Таймер Т(получение_оповещения) является таймером слежения за активным монитором и поддерживается каждым резервным монитором.
Если таймер обнулился до обнаружения процесса опроса кольца, резервный менитор запускает процесс соперничестива за монитор.
Захватив свободный маркер станция В передает УДС-кадр наличия резервного монитора.
Резервный монитор (Станция С) проверяет содержимое индикаторов ARI и FCI , чтобы определить впервые ли опознан такой кадр.
Если да, станция С устанавливает их в 1 и запоминает адрес станции В как ближайшего активного предшественника. Все остальные станции лишь ретранслируют кадр.
Этот процесс продолжается до тех пор, пока активный монитор не примет кадр наличия резервного монитора с нулевыми индикаторами ARI и FCI. Поступление такого кадра означает, что процесс опроса кольца завершен.
Просмотр ролика