4.3.5. Fast Ethernet

Одновременно с широким распространением коммутаторов скорость Ethernet 10 Мбит/с перестала быть чем-то необычным. Поначалу казалось, что 10 Мбит/с — это просто фантастически высокая скорость. Примерно так же ощущался переход с 56-килобитных телефонных модемов на кабельные. Однако мир меняется очень быстро. Известный закон Паркинсона («Работа занимает все отведенное на нее время») можно перефразировать так: «Данные занимают всю предоставленную пропускную способность канала».

Многим приложениям требовалась высокая пропускная способность, и поэтому появились 10-мегабитные LAN, связанные лабиринтами повторителей, концентраторов и коммутаторов. Сетевым администраторам иногда казалось, что система едва держится и может развалиться от любого прикосновения. Но даже с коммутаторами Ethernet максимальная полоса пропускания одного компьютера ограничивалась кабелем, которым тот соединялся с портом коммутатора.

Учитывая обстоятельства, в 1992 году институт IEEE начал пересмотр стандартов и дал заказ комитету 802.3 выработать спецификацию более быстрых сетей. Одни предлагали сохранить 802.3 без изменений и просто увеличить скорость работы, другие — полностью его переделать и снабдить новым набором функций: например, трафик в реальном времени и оцифрованную речь. При этом предлагалось сохранить старое название стандарта (из соображений маркетинга). После некоторых колебаний комитет решил просто изменить скорость работы 802.3, а все остальные параметры оставить прежними. Такая стратегия позволила бы решить проблему прежде, чем технология изменится, избежать непредвиденных проблем с совершенно новыми разработками и обеспечить обратную совместимость с существующими Ethernet LAN. Сторонники отвергнутого предложения поступили так, как в этой ситуации поступил бы любой человек, связанный с компьютерной индустрией: они хлопнули дверью, организовали собственный комитет и разработали свой стандарт (802.12), который, впрочем, с треском провалился.

Работа шла довольно быстро (по меркам комитета стандартизации), и уже в июне 1995 года институт IEEE официально утвердил стандарт 802.3u. С технической точки зрения в нем нет ничего нового по сравнению с предыдущей версией. Честнее было бы назвать это не новым стандартом, а расширением 802.3 (чтобы еще больше подчеркнуть обратную совместимость с ним). Такой прием применялся часто. Большинство называет этот стандарт «быстрый Ethernet» (Fast Ethernet), и мы не будем исключением.

Основная идея Fast Ethernet довольно проста: оставить без изменений все старые форматы фреймов, интерфейсы, процедуры и лишь уменьшить время передачи одного бита с 100 до 10 нс. Как это технически осуществить? Можно скопировать принцип, применяемый в классическом 10-мегабитном Ethernet, но в 10 раз уменьшить максимальную длину сегмента. Однако преимущества витой пары были столь неоспоримы, что практически все системы Fast Ethernet в результате были построены именно на этом типе кабеля. Таким образом, в Fast Ethernet используются исключительно концентраторы (хабы) и коммутаторы; никаких моноканалов с ответвителями типа «зуб вампира» или с BNC-коннекторами здесь нет.

Однако некоторые технические решения все же необходимо было принять. Самый важный вопрос — какие типы кабелей поддерживать. Одним из претендентов была витая пара категории 3. Главным аргументом в ее пользу было то, что практически все западные офисы уже были оборудованы по крайней мере кабелем с четырьмя витыми парами категории 3 (или выше). Они использовались в телефонных линиях, и их длина (до ближайшего телефонного щита) составляла не более 100 м. Иногда можно было встретить два таких кабеля. Таким образом, установка Fast Ethernet не требовала смены кабеля во всем здании. Для многих организаций это было очень существенно.

Главный недостаток витой пары категории 3 — неспособность передавать сигналы 100-мегабитной сети на расстояние 100 м (именно таково максимальное расстояние между компьютером и концентратором, установленное стандартом для 10-мегабитных концентраторов). Витые пары категории 5 с такой задачей справились бы без проблем, а для оптоволокна это и вовсе смешная цифра. Нужно было найти компромисс. В итоге комитет 802.3 разрешил применять все три типа кабелей, как показано на илл. 4.19, при условии, что решения на основе витой пары категории 3 будут усилены и смогут обеспечить необходимую пропускную способность канала.

Название

Тип

Длина сегмента, м

Преимущества

100Base-T4

Витая пара

100

Использование неэкранированной витой пары категории 3

100Base-TX

Витая пара

100

Полный дуплекс при 100 Мбит/с (витая пара категории 5)

100Base-FX

Оптоволокно

2000

Полный дуплекс при 100 Мбит/с; большая длина сегмента

Илл. 4.19. Основные типы кабелей для сетей Fast Ethernet

В схеме 100Base-4T, использующей витую пару категории 3, сигнальная скорость составляет 25 МГц, что лишь на 25 % больше, чем 20 МГц стандарта Ethernet. (Следует помнить, что при манчестерском кодировании, о котором мы говорили в разделе 2.4.3, требуется два тактовых интервала для каждого из 10 млн битов, отправляемых каждую секунду.) Чтобы достичь требуемой пропускной способности, в схеме 100Base-4T применяются четыре витые пары. Одна из них всегда направляется на концентратор, одна — от него, а две оставшиеся переключаются в зависимости от текущего направления передачи данных. Чтобы достигнуть 100 Мбит/с на трех витых парах в направлении передачи, для каждой пары применяется довольно сложная схема. Она состоит в отправке троичных цифровых сигналов с тремя разными уровнями напряжения. Вряд ли эта схема выиграет приз за элегантность, так что мы избавим читателя от деталей.

В любом случае стандартная телефонная проводка десятилетиями включала четыре витые пары в каждом кабеле. Поэтому большинство организаций может использовать уже существующую инфраструктуру. Для этого придется отказаться от офисного телефона, но не такая уж это большая цена за быструю электронную почту.

Система 100Base-T4 утратила актуальность, поскольку во многих офисных зданиях проложили витую пару категории 5 для сетей 100Base-TX, которые в итоге завоевали рынок. Эта схема проще, поскольку кабели такого типа могут работать с сигналами на частоте 125 МГц. Поэтому для каждой станции используются только две витые пары: одна к концентратору, другая от него. Не применяется ни прямое битовое кодирование (NRZ), ни манчестерское. Вместо них имеется специальная система кодирования 4B/5B (см. раздел 2.4.3). Четыре бита данных кодируются в форме пяти сигнальных битов и передаются на частоте 125 МГц, обеспечивая скорость 100 Мбит/с. Это схема проста, но в ней выполняется достаточное число переходов для обеспечения синхронизации, и полоса пропускания расходуется довольно эффективно. Система 100Base-TX является полнодуплексной: станции могут одновременно передавать по одной витой паре и принимать по другой с одинаковой скоростью 100 Мбит/с.

В последнем варианте, 100Base-FX, используется два оптических многомодовых кабеля, по одному для каждого направления передачи. Таким образом, это также полный дуплекс со скоростью 100 Мбит/с в обе стороны. При такой схеме расстояние между станцией и коммутатором может достигать 2 км.

Fast Ethernet поддерживает соединение с помощью концентраторов либо коммутаторов. Чтобы алгоритм CSMA/CD работал, необходимо соблюдать