Что представляют собой коллизионные домены на коммутаторе применительно к портам
Кроме случая отдельной изолированной LAN!сети технологии Ethernet, границы
коллизионных доменов определяются устройствами, которые соединяют между собой сегменты сетевой среды передачи. Такие устройства могут быть классифицированы как устройства первого, второго и третьего уровней эталонной модели OSI.
Устройства первогого уровня не могут изолировать друг от друга домены коллизий, в
то время как устройства второго и третьего уровней способны это сделать.
Разбиение коллизионных доменов на несколько более мелких с помощью устройств
второго и третьего уровней называется сегментацией (segmentation).
Устройства первого уровня, такие, как повторители и концентраторы, выполняют
первичную функцию расширения кабельных сегментов сети Ethernet. При расширении сети возможно добавление новых станций. Однако при добавлении каждой новой
станции возрастает потенциально объем передаваемых по сети данных. Поскольку
устройства первого (физического) уровня передают далее все, что пересылается по
сетевой среде, то чем больше объем данных, передаваемых в коллизионном домене,
тем больше вероятность возникновения коллизии. Конечным результатом расширения сети становится понижение производительности сети, что проявляется особенно
остро в том случае, когда всем компьютерам сети требуется широкая полоса пропускания. Проще говоря, устройства первого уровня расширяют домены коллизий, как
показано на рис. 8.18, однако длина соединений сети LAN при этом может оказаться
слишком большой, что приведет к новым проблемам, связанным с коллизиями.
Так называемое правило четырех повторителей в сетях Ethernet утверждает, что
между любыми двумя компьютерами в сети не должно быть более четырех повторителей или концентраторов с функциями повторителя, как показано на рис. 8.19. Для
того чтобы сеть технологии 10BASET, в которой используются повторители, эффективно функционировала, суммарная задержка распространения сигнала в прямом и
обратном направлениях не должна превышать определенных пределов, в противном
случае не все рабочие станции смогут прослушивать коллизии, происходящие в сети.
Правило четырех повторителей основано на учете всех видов задержки: задержки
повторителя, задержки распространения и задержки в сетевом адаптере NIC. Нарушение этого правила может привести к тому, что будет превышен максимально
допустимый предел задержки. При его превышении резко возрастает количество запоздалых коллизий (late collisions). Коллизия называется запоздалой, если она происходит уже после передачи первых 64!х байтов фрейма. При возникновении запоздалых коллизий наборы микросхем в адаптере NIC не выполняют автоматически
повторную передачу. Такие фреймы коллизии увеличивают задержку, называемую
задержкой потребления (consumption delay). По мере возрастания задержки потребления и задержки распространения производительность работы сети падает. Эмпирическое правило работы сети Ethernet известно как правило 5-4-3-2-1. Оно подразумевает, что должны быть выполнены следующие условия:
- сеть, которая содержит повторители, максимум может содержать
- 5 сегментов сетевой среды передачи;
- 4 повторителя или концентратора;
- 3 сегмента сети, в которой могут быть рабочие станции;
- 2 сегмента сети являются соединительными (и не содержат рабочих станций);
- один крупный домен коллизий.
Академия Cisco проводит аторизированные тренинги, практикумы Cisco, компьютерные курсы Cisco Киев (курсы циско Киев, Cisco курсы Киев, курсы циско), курсы CCNA (CCNA курсы, курсы CCNA киев) - курсы Cisco (Cisco курсы), занимается подготовкой специалистов для реализации высокоинтеллектуальных проектов в области инфокоммуникационных технологий.
Сегодня мы рассмотрим, что же такое домен коллизий, чем он характеризуется, как его уменьшить, на что он влияет. А так же рассмотрим такое понятие как буфер коммутатора, для чего он нужен и с чем борится. О коллизиях мы говорили с вами в прошлой статье.
Итак, домен коллизий это группа устройств, которые объединены в единую сеть, с помощью разделяемой среды, например по технологии 10BASE2 и 10BASE5 (топология шина, когда к общей кабельной системе подключается множество сетевых устройств) или с помощью устройств, которые работают на Layer 1 OSI (Open System Interconnection), например концентраторы (Hub) или повторители (Repeater).
Основные понятия Ethernet Hub:
- Работа на уровне 1 OSI.
- Повторяет (регенерирует )электрический сигнал для увеличения радиуса работы сети.
- Переправляет полученный сигнал на все порты концентратора (сразу, без всякой задержки, т.е. буферизации, не смотря на то, передаются ли сейчас данные или нет.)
Теперь давайте графически рассмотрим домен коллизий:
Один домен коллизий
В данной топологии в центре находится HUB (не обращайте внимание, что графически он выглядит как свитч, рисовал в GNS3, там нет hub устройств 🙂 ), к которому подключены устройства (роутеры), которые у нас будут работать в роли хостов.
3 домена коллизий
Таким образом у нас получается что каждый порт представляет собой отдельный домен коллизий.
Так же можно описать так: коммутатор состоит из множества концентраторов (по кол-ву портов) и имеет столько же доменов коллизий, сколько портов имеет устройство.
Если вам по каким-то причинам, необходимо к коммутатору (Switch) подключить концентратор (Hub), то данный порт коммутатора необходимо перевести в Half-Duplex режим, потому как на таком соединении могут возникать коллизии.
Кто-то считает, что это очевидные вещи, другие скажут, что скучная и ненужная теория. Тем не менее на собеседованиях периодически можно услышать подобные вопросы. Мое мнение: о том, о чем ниже пойдет речь, нужно знать всем, кому приходится брать в руки «обжимку» 8P8C (этот разъем обычно ошибочно называют RJ-45). На академическую глубину не претендую, воздержусь от формул и таблиц, так же за бортом оставим линейное кодирование. Речь пойдет в основном о медных проводах, не об оптике, т.к. они шире распространены в быту.
Технология Ethernet описывает сразу два нижних уровня модели OSI. Физический и канальный. Дальше будем говорить только о физическом, т.е. о том, как передаются биты между двумя соседними устройствами.
Технология Ethernet — часть богатого наследия исследовательского центра Xerox PARC. Ранние версии Ethernet использовали в качестве среды передачи коаксиальный кабель, но со временем он был полностью вытеснен оптоволокном и витой парой. Однако важно понимать, что применение коаксиального кабеля во многом определило принципы работы Ethernet. Дело в том, что коаксиальный кабель — разделяемая среда передачи. Важная особенность разделяемой среды: ее могут использовать одновременно несколько интерфейсов, но передавать в каждый момент времени должен только один. С помощью коаксиального кабеля можно соединит не только 2 компьютера между собой, но и более двух, без применения активного оборудования. Такая топология называется шина. Однако если хотябы два узла на одной шине начнут одновременно передавать информацию, то их сигналы наложатся друг на друга и приемники других узлов ничего не разберут. Такая ситуация называется коллизией, а часть сети, узлы в которой конкурируют за общую среду передачи — доменом коллизий. Для того чтоб распознать коллизию, передающий узел постоянно наблюдает за сигналов в среде и если собственный передаваемый сигнал отличается от наблюдаемого — фиксируется коллизия. В этом случае все узлы перестают передавать и возобновляют передачу через случайный промежуток времени.
Диаметр коллизионного домена и минимальный размер кадра
Таким образом чем больше потенциальный размер сегмента сети, тем больше накладных расходов уходит на передачу порций данных маленького размера. Разработчикам технологии Ethernet пришлось искать золотую середину между двумя этими параметрами, и минимальным размером кадра была установлена величина 64 байта.
Витая пара и дуплексный режим рабты
Витая пара в качестве среды передачи отличается от коаксиального кабеля тем, что может соединять только два узла и использует разделенные среды для передачи информации в разных направлениях. Одна пара используется для передачи (1,2 контакты, как правило оранжевый и бело-оранжевый провода) и одна пара для приема (3,6 контакты, как правило зеленый и бело-зеленый провода). На активном сетевом оборудовании наоборот. Не трудно заметить, что пропущена центральная пара контактов: 4, 5. Эту пару специально оставили свободной, если в ту же розетку вставить RJ11, то он займет как раз свободные контакты. Таким образом можно использовать один кабели и одну розетку, для LAN и, например, телефона. Пары в кабеле выбраны таким образом, чтоб свести к минимуму взаимное влияние сигналов друг на друга и улучшить качество связи. Провода одной пару свиты между собой для того, чтоб влияние внешних помех на оба провода в паре было примерно одинаковым.
Для соединения двух однотипных устройств, к примеру двух компьютеров, используется так называемый кроссовер-кабель(crossover), в котором одна пара соединяет контакты 1,2 одной стороны и 3,6 другой, а вторая наоборот: 3,6 контакты одной стороны и 1,2 другой. Это нужно для того, чтоб соединить приемник с передатчиком, если использовать прямой кабель, то получится приемник-приемник, передатчик-передатчик. Хотя сейчас это имеет значение только если работать с каким-то архаичным оборудованием, т.к. почти всё современное оборудование поддерживает Auto-MDIX — технология позволяющая интерфейсу автоматически определять на какой паре прием, а на какой передача.
Возникает вопрос: откуда берется ограничение на длину сегмента у Ethernet по витой паре, если нет разделяемой среды? Всё дело в том, первые сети построенные на витой паре использовали концентраторы. Концентратор (иначе говоря многовходовый повторитель) — устройство имеющее несколько портов Ethernet и транслирующее полученный пакет во все порты кроме того, с которого этот пакет пришел. Таким образом если концентратор начинал принимать сигналы сразу с двух портов, то он не знал, что транслировать в остальные порты, это была коллизия. То же касалось и первых Ethernet-сетей использующих оптику (10Base-FL).
Зачем же тогда использовать 4х-парный кабель, если из 4х пар используются только две? Резонный вопрос, и вот несколько причин для того, чтобы делать это:
- 4х-парный кабель механически более надежен чем 2х-парный.
- 4х-парный кабель не придется менять при переходе на Gigabit Ethernet или 100BaseT4, использующие уже все 4 пары
- Если перебита одна пара, можно вместо нее использовать свободную и не перекладывать кабель
- Возможность использовать технологию Power over ethernet
Не смотря на это на практике часто используют 2х-парный кабель, подключают сразу 2 компьютера по одному 4х-парному, либо используют свободные пары для подключения телефона.
Gigabit Ethernet
В отличии от своих предшественников Gigabit Ethernet всегда использует для передачи одновременно все 4 пары. Причем сразу в двух направлениях. Кроме того информация кодируется не двумя уровнями как обычно (0 и 1), а четырьмя (00,01,10,11). Т.е. уровень напряжения в каждый конкретный момент кодирует не один, а сразу два бита. Это сделано для того, чтоб снизить частоту модуляции с 250 МГц до 125 МГц. Кроме того добавлен пятый уровень, для создания избыточности кода. Он делает возможной коррекцию ошибок на приеме. Такой вид кодирования называется пятиуровневым импульсно-амплитудным кодированием (PAM-5). Кроме того, для того, чтоб использовать все пары одновременно для приема и передачи сетевой адаптер вычитает из общего сигнала собственный переданный сигнал, чтоб получить сигнал переданный другой стороной. Таким образом реализуется полнодуплексный режим по одному каналу.
Дальше — больше
10 Gigabit Ethernet уже во всю используется провайдерами, но в SOHO сегменте не применяется, т.к. судя по всему там вполне хватает Gigabit Ethernet. 10GBE качестве среды распространения использует одно- и многомодовое волокно, с или без уплотнением по длине волны, медные кабели с разъемом InfiniBand а так же витую пару в стандарте 10GBASE-T или IEEE 802.3an-2006.
40-гигабитный Ethernet (или 40GbE) и 100-гигабитный Ethernet (или 100GbE). Разработка этих стандартов была закончена в июле 2010 года. В настоящий момент ведущие производители сетевого оборудования, такие как Cisco, Juniper Networks и Huawei уже заняты разработкой и выпуском первых маршрутизаторов поддерживающих эти технологии.
В заключении стоит упомянуть о перспективной технологии Terabit Ethernet. Боб Меткалф, создатель предположил, что технология будет разработана к 2015 году, и так же сказал:
Чтобы реализовать Ethernet 1 ТБит/с, необходимо преодолеть множество ограничений, включая 1550-нанометровые лазеры и модуляцию с частотой 15 ГГц. Для будущей сети нужны новые схемы модуляции, а также новое оптоволокно, новые лазеры, в общем, все новое
UPD: Спасибо хабраюзеру Nickel3000, что подсказал, про то что разъем, который я всю жизнь называл RJ45 на самом деле 8P8C.
UPD2:: Спасибо пользователю Wott, что объяснил, почему используются контакты 1,2,3 и 6.
Среди этих адресов есть несколько логических групп.
Пример: У клиента адрес 192.168.1.2, и ему надо передать информацию клиенту с адресом 192.168.1.3, он предполагает, что раз адрес отправителя и получателя практически не отличается, то получатель где-то рядом. Как мы помним, передача идет по Ethernet сети, которая работает с MAC-адресами, а это значит, что от получателя надо узнать его MAC-адрес.
Почему так? Опять возвращаемся к нашим баранам. Пока все клиенты сидели на общем проводе, они были вынуждены слушать чужой трафик. Сейчас же в качестве адреса получателя прописывается специальный широковещательный адрес (48 единиц подряд).
Немного истории
А тут варианта два:
1. Увеличить размер преамбулы в 10 раз.
2. Сократить длину кабеля в 10 раз. То есть не 100 метров, а 10 метров.
При этом, ни один из этих вариантов для решения низкой скорости не подходил. Как это решили в 100-мегабитном Ethernet? Подумали и увеличили размер кадра (полезных данных после преамбулы) до 64 байт. Теоретически, можно было было бы сделать кадр размером 512 байт и получить скорость 1 гигабит. Но есть нюансы.
Витая пара
Опять история. Когда изначально проектировали витую пару, планировали, что к одному рабочему месту будет идти один провод. Соответственно, чтобы обеспечить 10 мегабитную скорость требовалось всего 2 пары из 4. Другие 2 пары использовались под ISDN-телефон с возможностью удержания вызова (до эпохи IP-телефонии, это была аналоговая АТС).
Прямой и Кроссовый кабель
Предполагалось, что в нормальной сети вы никогда не будете подключать устройства друг к другу напрмяую (а только через промежуточное).
Только одно устройство в домене коллизий может передавать одновременно, а другие устройства в домене слушают сеть и воздерживаются от передачи, в то время как другие уже передают, чтобы избежать коллизий. Поскольку только одно устройство может передавать одновременно, общая пропускная способность сети распределяется между всеми устройствами в домене конфликтов. Коллизии также снижают эффективность сети в области коллизий, поскольку коллизии требуют от устройств прерывания передачи и повторной передачи в более позднее время.
Содержание
Ethernet
В Ethernet с использованием совместно используемой среды коллизии разрешаются с использованием множественного доступа с контролем несущей и обнаружением коллизий (CSMA / CD), при котором конкурирующие пакеты отбрасываются и повторно отправляются по одному. Это становится источником неэффективности сети.
Ранние варианты Ethernet ( 10BASE5 , 10BASE2 ) основывались на общем проводе и изначально полудуплексном режиме , представляя один потенциально большой домен коллизий. Домены коллизий также встречаются в среде концентраторов или повторителей Ethernet, где каждый сегмент хоста подключается к концентратору, и все сегменты представляют только один домен коллизий в пределах одного широковещательного домена . Домены коллизий также встречаются в других сетях с разделяемой средой, например. грамм. беспроводные сети, такие как Wi-Fi .
Современные проводные сети используют сетевой коммутатор для уменьшения или устранения коллизий. При подключении каждого устройства напрямую к порту коммутатора, каждый порт коммутатора становится собственным доменом конфликтов (в случае полудуплексных каналов), либо возможность конфликтов полностью исключается в случае полнодуплексных каналов. . Для Gigabit Ethernet и выше не существует концентраторов или повторителей, и для всех устройств требуются полнодуплексные каналы.
Беспроводная сеть
Проблема со скрытым узлом : устройства A, B и C находятся в одном домене коллизии. A и C общаются с B, но не знают друг друга.В большинстве беспроводных сетей LAN используется метод множественного доступа с контролем оператора и предотвращением конфликтов (CSMA / CA). В дополнение к требованиям общей проводной среды беспроводные сети добавляют проблему со скрытым узлом, когда два отправителя не могут слышать передачи друг друга, но они вызывают конфликт на получателе между ними. Множественный доступ с предотвращением конфликтов для беспроводной сети - один из таких подходов, используемых, в частности, в 802.11 RTS / CTS . Центральная координация - еще одно средство решения этой проблемы для области коллизий. Этот метод используется Wireless Multimedia Extensions . Точка функция координации и распределенная функция координации являются конкретными реализациями.
Читайте также: