Причины создания стандарта Fast Ethernet и его основные характеристики

Первая высокоскоростная технология - FDDI - была создана в середине 80-х годов для работы на магистралях крупных сетей и для подключения серверов и мощных компьютеров, которым не хватало пропускной способности в 10 Мб/с, обеспечиваемой самой популярной технологией локальных сетей - Ethernet. Поэтому разработчики заботились в первую очередь о повышении пропускной способности и отказоустойчивости, так как эти свойства наиболее важны для магистрали сети. Разработанная технология действительно удовлетворяет поставленным требованиям - двойное оптоволоконное кольцо гарантирует работоспособность сети при одиночных обрывах кабеля и одиночных отказах оборудования конечных узлов, обеспечивает высокую (для середины 80-х - очень высокую) скорость передачи данных в 100 Мб/c. Уже тогда стала понятной необходимость обеспечения в локальных сетях поддержки трафика реального времени, и разработчики стандарта включили в него механизм предоставления приоритетного доступа к разделяемому между всеми узлами кольцу для синхронного трафика реального времени. Кроме того, использование оптоволокна позволило даже для такой высокой скорости обеспечить расстояние между узлами сети до 2-х километров, а общий диаметр - до 100 километров, что вывело сети FDDI из класса чисто локальных сетей в класс сетей масштаба крупного города (MetropolitanAreaNetwork).

В дальнейшем технология FDDI развивалась незначительно и, несмотря на попытки ее удешевления за счет использования высококачественной витой пары, осталась технологией магистралей и серверных парков. Механизм приоритетов для поддержки синхронного трафика также остался в зачаточном состоянии, без предоставления узлам сети возможности автоматически и гибко распределять полосу пропускания кольца между приложениями с синхронным трафиком.

Поэтому со временем все больше ощущалась потребность в технологии, которая бы предоставляла большие, чем Ethernet скорости передачи данных для массовых недорогих компьютеров, таких как персональные компьютеры конца 80-х годов. Особенно остро эта проблема встала перед сетевым сообществом в начале 90-х, когда пропускная способность канала диск-память многих моделей персональных компьютеров превзошла рубеж в 1 Мбайт/c, уже недоступный для сетевых адаптеров Ethernet.

Так как поддержку всех необходимых механизмов качества обслуживания тогда обещала быстро приобретающая черты реального стандарта технология АТМ, то решено было вдохнуть новую жизнь в такую знакомую и проверенную технологию как Ethernet, не занимающуюся вопросами обслуживания трафика разного типа ни в коей степени, но хорошо и эффективно обслуживающую многие виды приложений. Несмотря на постоянные упоминания о мультимедийных приложениях, доля их в общей смеси приложений многих сетей не так уж велика и до сих пор, поэтому отсутствие средств поддержки качества обслуживания не казалось разработчикам нового Ethernet'а чем-то трагическим. Многие специалисты оправдывали перенос недостатков технологии Ethernet в новый стандарт его временным сроком жизни - 5 - 8 лет, сроком, который по их мнению был нужен технологии АТМ для завоевания рынка локальных сетей.

Пользователи с большим энтузиазмом восприняли сообщения, появившиеся в 1992 году о начале работ по разработке высокоскоростного Ethernet'а, обещавшие им продление жизни привычной и недорогой технологии. Однако вскоре сетевой мир разделился на два соперничающих лагеря, что и привело в конце концов к появлению двух различных технологий - FastEthernet и100G-AnyLAN.

Сторонники первого подхода считали, что новая технология должна в максимальной степени быть похожа во всем на Ethernet - за исключением только битовой скорости передачи данных.

Сторонники второго подхода призывали воспользоваться удобным случаем для устранения недостатков, связанных со слишком "случайным" механизмом предоставления доступа к разделяемой среде CSMA/CD, используемым в Ethernet.

И у них были достаточно веские причины для критики алгоритма CSMA/CD. Его основное преимущество - простота реализации, за счет чего Ethernet и является самой дешевой технологией. Но простота метода доступа к разделяемой среде имеет и несколько отрицательных последствий. Наиболее важны следующие два:

1. Столкновения кадров нескольких станций - коллизии - являются допустимыми событиями в сегменте Ethernet, и при достаточно низком коэффициенте загрузки сегмента мало сказываются на пропускной способности канала. Однако, при повышении загруженности сегмента, которое обычно со временем наблюдается во всех сетях, коллизии начинают "отбирать" все больше и больше полезной пропускной способности сети (рис. 2.1), так как каждая коллизия связана с непроизводительным использованием сегмента. Метод CSMA/CD не гарантирует для узла получения доступа к среде даже за весьма большой интервал времени, и такие ситуации иногда случаются в сетях Ethernet в реальной жизни, когда постоянно генерирующая ошибочные кадры станция не дает возможности системе управления передать на нее управляющие кадры.

Рис. 2.1. Уменьшении полезной пропускной способности сегмента Ethernet при повышении коэффициента загрузки

1. Длина сегмента Ethernet всегда ограничена очень жестким соотношением, которое вряд ли можно преодолеть за счет технического прогресса. Для того, чтобы конечные узлы сети всегда четко распознавали коллизии и автоматически организовывали повторную передачу искаженного в результате коллизии кадра, нужно, чтобы время передачи кадра всегда было больше времени двойного оборота сигнала по сегменту Ethernet (рис.2.2). Так как время распространения сигнала ограничено скоростью света, то максимальная длина сегмента Ethernet для битовой скорости 10 Мб/c составляет примерно 2500 м. При увеличении битовой скорости в 10 раз и сохранении минимального размера кадра в 64 байта максимальный размер сегмента сокращается соответственно в 10 раз, то есть становится равным 250 метрам, а при увеличении битовой скорости еще в 10 раз - 25 метрам.

Рис.2.2. Ограничение накладываемое методом доступа CSMA/CD на длину сегмента Ethernet

Правда, ситуация улучшается при использовании коммутаторов и полнодуплексного режима работы, но при этом теряется низкая стоимость сегмента.

Тем не менее, недостатки, связанные с методом доступа CSMA/CD, не испугали сторонников "чистого" Ethernet'а и они в 1992 году образовали неформальное объединение FastEthernetAlliance, куда первоначально вошли такие лидеры технологии Ethernet как SynOptics, 3Com и ряд других.

Одновременно были начаты работы в институте IEEE по стандартизации новой технологии - там была сформирована исследовательская группа для изучения технического потенциала высокоскоростных технологий. За период с конца 1992 года и по конец 1993 года группа IEEE изучила 100-Мегабитные решения, предложенные различными производителями. Наряду с предложениями FastEthernetAlliance группа рассмотрела также и другой подход к созданию недорогого высокоскоростного стандарта, предложенный компаниямиHewlett-Packard и AT&T.

В 1995 году комитет IEEE принял спецификацию FastEthernet в качестве стандарта, и сетевой мир получил технологию, с одной стороны решающую самую болезненную проблему - нехватку пропускной способности на нижнем уровне сети, а с другой стороны очень легко внедряющуюся в существующие сети Ethernet, которые и сегодня дают миру около 80% всех сетевых соединений.

Легкость внедрения FastEthernet объясняется следующими факторами:

• общий метод доступа позволяет использовать в сетевых адаптерах и портах FastEthernet до 80% микросхем адаптеров Ethernet;
• драйверы также содержат большую часть кода для адаптеров Ethernet, а отличия вызваны новым методом кодирования (4B/5B или 8B/6T) и наличием полнодуплексной версии протокола;
• формат кадра остался прежним, что дает возможность анализаторам протоколов применять к сегментам FastEthernet те же методы анализа, что и для сегментов Ethernet, лишь механически повысив скорость работы.

Отличия FastEthernet от Ethernet сосредоточены в основном на физическом уровне. Разработчики стандарта FastEthernet учли тенденции развития структурированных кабельных систем и реализовали физический уровень для всех популярных типов кабелей, входящих в стандарты на структурированные кабельные системы (такие как EIA/TIA 568A) и реально выпускаемые кабельные системы.

Существует три варианта физического уровня FastEthernet:

1. 100Base-TX для двухпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTPCategory 5 (или экранированной витой паре STPType 1);
2. 100Base-T4 для четырехпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTPCategory 3,4 или 5;
3. 100Base-FXдля многомодового оптоволоконного кабеля.

При создании сегментов FastEthernet с разделяемой средой нужно использовать концентраторы, при этом максимальный диаметр сети колеблется от 136 до 205 метров, а количество концентраторов в сегменте ограничено одним или двумя, в зависимости от типа концентратора. При использовании двух концентраторов расстояние между ними не может превышать 5 - 10 метров, так что существование 2-х устройств мало что дает, кроме увеличения количества портов - расстояние между компьютерами сегмента от добавления второго концентратора практически не изменяется.

В разделяемом сегменте FastEthernet нет возможности обеспечить какие-либо преимущества при обслуживании трафика приложений реального времени, так как любой кадр получает равные шансы захватить среду передачи данных в соответствии с логикой алгоритма CSMA/CD.