Выбор конфигурации сетей Ethernet и Fast Ethernet

ХНУРЭ, факультет РТ, кафедра ОРТ
При выборе конфигурации сети Ethernet, возникает много вопросов.
Сеть будет работоспособной только в том случае, если задержка распространения сигнала в ней не превысит предельной величины. Это определяется выбранным методом управления обменом CSMA/CD, основанном на обнаружении и разрешении коллизий.
Выбор конфигурации Ethernet

ХНУРЭ, факультет РТ, кафедра ОРТ
применяются промежуточные устройства двух основных типов:
Репитерные концентраторы (хабы);
Коммутаторы.

ХНУРЭ, факультет РТ, кафедра ОРТ
При использовании более сложных коммутаторов конфликты в отдельных сегментах решаются на месте.
Принципиальное значение для выбора топологии сети Ethernet, с методом доступа CSMA/CD предполагает наличие конфликтов и их разрешение, причем общая длина сети как раз и определяется размером зоны конфликта, области коллизии (collision domain).
В случае применения коммутатора оценивать работоспособность надо для каждого сегмента сети отдельно, а при использовании репитерных концентраторов – для сети в целом.

ХНУРЭ, факультет РТ, кафедра ОРТ
При выборе и оценке конфигурации Ethernet используются две основные модели
Правила модели 1
1.Репитер или концентратор, подключенный к сегменту, снижает на единицу максимально допустимое число абонентов, подключаемых к сегменту.
2.Полный путь между двумя любыми абонентами должен включать в себя не более пяти сегментов, четырех концентраторов (репитеров) и двух трансиверов (MAU).

ХНУРЭ, факультет РТ, кафедра ОРТ
3. "правило 5-4-3".
4.Если путь между абонентами состоит из четырех сегментов и трех концентраторов (репитеров), то должны выполняться следующие условия:
- максимальная длина оптоволоконного кабеля сегмента 10BASE-FL, соединяющего между собой концентраторы (репитеры), не должна превышать 1000 метров;
- максимальная длина оптоволоконного кабеля сегмента 10BASE-FL, соединяющего концентраторы (репитеры) с компьютерами, не должна превышать 400 метров;
- ко всем сегментам могут подключаться компьютеры.

ХНУРЭ, факультет РТ, кафедра ОРТ
При выполнении перечисленных правил можно быть уверенным, что сеть будет работоспособной. Никаких дополнительных расчетов в данном случае не требуется.

ХНУРЭ, факультет РТ, кафедра ОРТ
Расчет по модели 2
Вторая модель, применяемая для оценки конфигурации Ethernet, основана на точном расчете временных характеристик выбранной конфигурации сети.

ХНУРЭ, факультет РТ, кафедра ОРТ
В модели 2 используются две системы расчетов:
– первая система предполагает вычисление двойного (кругового) времени прохождения сигнала по сети и сравнение его с максимально допустимой величиной;
– вторая система проверяет допустимость величины получаемого межпакетного временного интервала, межпакетной щели (IPG – InterPacket Gap) в сети.

ХНУРЭ, факультет РТ, кафедра ОРТ
При первой системе расчетов выделяются три типа сегментов:
начальный сегмент, соответствует началу пути максимальной длины;
конечный сегмент расположен в конце пути максимальной длины;
промежуточный сегмент входит в путь максимальной длины, но не является ни начальным, ни конечным.

ХНУРЭ, факультет РТ, кафедра ОРТ
Для расчетов используются величины задержек,
представленные в таблице:

ХНУРЭ, факультет РТ, кафедра ОРТ
Методика расчета сводится к следующему:
1.В сети выделяется путь максимальной длины.
2.Если длина сегмента, входящего в выбранный путь, не максимальна, то рассчитывается двойное (круговое) время прохождения в каждом сегменте выделенного пути по формуле:
ts = L * tl + to, где L – это длина сегмента в метрах (при этом надо учитывать, тип сегмента: начальный, промежуточный или конечный).
3.Если длина сегмента равна максимально допустимой, то из таблицы для него берется величина максимальной задержки tm.

ХНУРЭ, факультет РТ, кафедра ОРТ
4.Суммарная величина задержек всех сегментов выделенного пути не должна превышать предельной величины 512 битовых интервалов.
5.Затем необходимо проделать те же действия для обратного направления выбранного пути.
6.Если задержки в обоих случаях не превышают величины 512 битовых интервалов, то сеть считается работоспособной.

ХНУРЭ, факультет РТ, кафедра ОРТ
К примеру, можно произвести расчет, считая начальным сегментом 10BASE2, а конечным 10BASE-T:
1.Начальный сегмент 10BASE2 имеет максимально допустимую длину (185 метров), для него следует взять из таблицы величину задержки 30,8.
2.Промежуточный сегмент 10BASE5 также имеет максимально допустимую длину (500 метров), поэтому для него нужно взять из таблицы величину задержки 89,8.
3.Оба промежуточных сегмента 10BASE-FL имеют длину 500 метров, следовательно, задержка каждого из них будет вычисляться по формуле:
500 * 0,100 + 33,5 = 83,5

ХНУРЭ, факультет РТ, кафедра ОРТ
Конечный сегмент 10BASE-T имеет максимально допустимую длину (100 метров), поэтому величина задержки для него в таблице равняется 176,3.
В путь наибольшей длины входят также шесть AUI-кабелей: два из них (в сегменте 10BASE5) показаны на рисунке, а четыре (в двух сегментах 10BASE-FL) не показаны, но в реальности вполне могут присутствовать. Можно считать, что суммарная длина всех этих кабелей равна 200 метрам, то есть четырем максимальным длинам.
Тогда задержка на всех AUI-кабелях будет равна:
4 * 5,1 = 20,4
В результате суммарная задержка для всех пяти сегментов составит:
30,8 + 89,8 + 83,5 + 83,5 + 176,3 + 20,4 = 484,3
что меньше, чем предельно допустимая величина 512, то есть сеть работоспособна.

Теперь можно рассчитать суммарную задержку для того же пути, но в обратном направлении.
При этом начальным сегментом будет 10BASE-T, а конечным – 10BASE2. В результате в конечной сумме изменятся только два слагаемых (промежуточные сегменты остаются промежуточными). Для начального сегмента 10BASE-T максимальной длины задержка составит 26,6 битовых интервалов, а для конечного сегмента 10BASE2 максимальной длины задержка составит 188,5 битовых интервалов.
Суммарная задержка будет равняться:
???

ХНУРЭ, факультет РТ, кафедра ОРТ
Второй расчет, применяемый в модели 2, проверяет соответствие стандарту величины межпакетного интервала (IPG).
Эта величина изначально не должна быть меньше, чем 96 битовых интервалов (9,6 мкс).
Допустимое сокращение IPG определено стандартом в 49 битовых интервалов (4,9 мкс).

ХНУРЭ, факультет РТ, кафедра ОРТ
Конечный сегмент не вносит вклада в сокращение межпакетного интервала, так как пакет доходит по нему до принимающего компьютера без прохождения репитеров и концентраторов.

ХНУРЭ, факультет РТ, кафедра ОРТ
Для получения полной величины сокращения IPG надо просуммировать величины из таблицы для сегментов, входящих в путь максимальной длины, и сравнить сумму с предельной величиной 49 битовых интервалов. Если сумма меньше 49, можно сделать вывод о работоспособности сети. Для гарантии расчет производится в обоих направлениях выбранного пути.

ХНУРЭ, факультет РТ, кафедра ОРТ
Для примера стоит обратиться все к той же конфигурации, показанной на рисунке. Максимальный путь здесь – между двумя нижними по рисунку компьютерами. В качестве начального сегмента 10BASE2. Для него сокращение межпакетного интервала равно 16. Далее следуют промежуточные сегменты: 10BASE5 (величина сокращения равна 11) и два сегмента 10BASE-FL (каждый из них внесет свой вклад по 8 битовых интервалов). В результате суммарное сокращение межпакетного интервала составит:
16 + 11 + 8 + 8 = 43,
Вычисления для обратного направления по этому же пути дадут тот же результат.

Лекция
Тема лекции:
«Выбор конфигурации сетей Ethernet и Fast Ethernet»
ХНУРЭ, факультет РТ, кафедра ОРТ

ХНУРЭ, факультет РТ, кафедра ОРТ
Простейшая конфигурация сети из двух сегментов 10BASE-FL, соединенных концентратором

ХНУРЭ, факультет РТ, кафедра ОРТ
Из таблицы видно, что при выборе максимальной длины обоих сегментов по 2000 метров суммарная двойная задержка распространения составит:
212,3 + 356,5 = 568,8
Это значительно больше допустимой величины 512.
При двух одинаковых сегментах 10BASE-FL длина каждого из них не должна превышать 1716 метров. Двойная задержка распространения при этом будет вычисляться так:
12,3 + 1716 х 0,1+ 156,5 + 1716 х 0,1 = 512
И общая длина сети при этом составит 3432 метра.

ХНУРЭ, факультет РТ, кафедра ОРТ
Следует отметить, что сегменты в конфигурации на слайде 23 могут быть и разной длины, но их общая длина не должна превышать 3432 метров.
Допустим, имеется конфигурация из пяти сегментов 10BASE-T предельно допустимой длины (100 метров), соединенных между собой четырьмя концентраторами. Задержка начального сегмента составит 26,6 битовых интервалов. Задержка конечного сегмента будет равна 176,3 битовых интервалов. Задержка трех промежуточных сегментов будет 53,3 битовых интервала на каждый сегмент.

ХНУРЭ, факультет РТ, кафедра ОРТ
Итого суммарная задержка равняется:
???????
Можно добавить еще два 100-метровых промежуточных сегмента, которые дадут еще 106,6, увеличив количество сегментов до 7, а число концентраторов до 6. И еще останется запас в 42,6 битовых интервалов.
Можно подсчитать величину сокращения межпакетного интервала при такой конфигурации.

ХНУРЭ, факультет РТ, кафедра ОРТ
Один начальный сегмент даст 16 битовых интервалов.
Шесть промежуточных сегментов дадут 77 битовых интервалов.
В сумме получится 93 битовых интервала, что значительно превышает разрешенные 49 битовых интервалов.
Поэтому в данном случае предельная длина сети будет ограничена всего лишь пятью сегментами, которые сократят межпакетный интервал на величину
16 + 11 * 3 = 49 битовых интервалов.

ХНУРЭ, факультет РТ, кафедра ОРТ
Например, если один путь состоит из пяти коротких сегментов (электрических и оптоволоконных) и четырех концентраторов, а другой путь имеет всего два оптоволоконных сегмента, но зато с суммарной длиной, близкой к максимально возможной, то первый даст максимальное сокращение IPG, а второй – максимальную задержку прохождения сигнала.

ХНУРЭ, факультет РТ, кафедра ОРТ
Условие работоспособности сети будет состоять в том, что задержки всех путей должны быть меньше 512 битовых интервалов, а величины сокращения IPG для всех путей должны быть меньше 49 битовых интервалов.
Неоднозначность пути максимальной длины надо учитывать только в том случае, когда в сети присутствует больше четырех концентраторов.

ХНУРЭ, факультет РТ, кафедра ОРТ
Таким образом, для оценки работоспособности той или иной конфигурации можно использовать обе модели (модель 1 и модель 2), хотя для сложных топологий и предельно длинных сегментов предпочтительнее вторая (числовая) модель.

ХНУРЭ, факультет РТ, кафедра ОРТ
Если расчеты показывают, что сеть неработоспособна, то для преодоления этих ограничений предлагаются следующие методы:
1.Уменьшение длины кабелей.
2.Уменьшение количества концентраторов.
3.Выбор кабеля с наименьшей задержкой.
4.Разбиение сети на две части или более с помощью коммутатора – более радикальный метод.
5.Переход на другую локальную сеть (самый радикальный метод).

ХНУРЭ, факультет РТ, кафедра ОРТ
Точно так же, как и в случае Ethernet, для определения работоспособности сети Fast Ethernet стандарт IEEE 802.3 предлагает две модели, называемые Transmission System Model 1 и Transmission System Model 2.
Первая модель основана на нескольких несложных правилах. Вторая модель использует систему точных расчетов с реальными временными характеристиками кабелей.
Выбор конфигурации Fast Ethernet

ХНУРЭ, факультет РТ, кафедра ОРТ
В соответствии с первой моделью, при выборе конфигурации надо руководствоваться следующими принципами:
1.Сегменты, выполненные на электрических кабелях (витых парах) не должны быть длиннее 100 метров. Это относится к кабелям всех категорий – 3, 4 и 5, к сегментам 100BASE-T4 и 100BASE-TX.
2.Сегменты, выполненные на оптоволоконных кабелях, не должны быть длиннее 412 метров.
3.Если используются адаптеры с внешними (выносными) трансиверами, то трансиверные кабели не должны быть длиннее 50 сантиметров.

ХНУРЭ, факультет РТ, кафедра ОРТ
Модель 1 выделяет три возможные конфигурации
сети Fast Ethernet:
Соединение двух абонентов (узлов) сети напрямую, без репитера или концентратора. Такое сопряжение называется соединением DTE-DTE или двухточечным.

Соединение двух абонентов сети с помощью одного репитерного концентратора класса I или класса II

ХНУРЭ, факультет РТ, кафедра ОРТ
Соединение двух абонентов сети с помощью двух репитерных концентраторов класса II.

ХНУРЭ, факультет РТ, кафедра ОРТ
В случае выбора первой конфигурации (двухточечной) правила модели 1 предельно просты.
В случае применения второй конфигурации (с одним концентратором) надо ограничивать длину кабелей A и B сети в соответствии с таблицей 1.
В случае выбора третьей конфигурации сети (с двумя концентраторами) надо ограничивать длину кабелей A и B в соответствии с таблицей 2. При этом по умолчанию предполагается, что кабель С имеет длину 5 метров.

ХНУРЭ, факультет РТ, кафедра ОРТ
В обеих конфигурациях с концентраторами при использовании одновременно электрического и оптоволоконного кабелей можно за счет уменьшения длины электрического кабеля увеличить длину оптоволоконного.