Спецификации физической среды Gigabit Ethernet

4.3.3.1 Спецификации физической среды Gigabit Ethernet

Основные усилия рабочей группы IEEE 802.3z направлены на определение физических стандартов для Gigabit Ethernet. За основу она взяла стандарт ANSI X3T11 Fibre Channel, точнее, два его нижних подуровня: FC-0 (интерфейс и среда передачи) и FC-1 (кодирование и декодирование). Зависимая от физической среды спецификация Fibre Channel определяет в настоящее время скорость 1,062 гигабод в секунду. В Gigabit Ethernet она была увеличена до 1,25 гигабод в секунду. С учетом кодирования по схеме 8B/10B мы получаем скорость передачи данных в 1 Гбит/с.

Спецификация Gigabit Ethernet изначально предусматривала три среды передачи: одномодовый и многомодовый оптический кабель с длинноволновыми лазерами 1000BaseLX для длинных магистралей для зданий и комплексов зданий, многомодовый оптический кабель с коротковолновыми лазерами 1000BaseSX для недорогих коротких магистралей, симметричный экранированный короткий 150-омный медный кабель 1000BaseCX для межсоединения оборудования в аппаратных и серверных. Однако в настоящее время четырехпарная 100-омная проводка Категории 5 является наиболее распространенной кабельной системой во всем мире. Учитывая это, бюро по стандартам IEEE удовлетворило в марте 1997 г. запрос на создание отдельного комитета по разработке стандарта физического уровня 1000BaseT для четырехпарных кабелей с неэкранированными витыми парами Категории 5 длиной 100 м (т. е. для сетей с диаметром 200 м, как и в 100BaseT). Эта группа получила наименование 803.2ab. Данный стандарт будет опираться на иную схему кодирования, нежели Fibre Channel, и, вероятнее всего, появится на год позже, чем остальные три стандарта.

4.3.3.2 Дифференциальная задержка

Эффект дифференциальной задержки состоит в том, что один излучаемый лазером импульс света возбуждает несколько мод в многомодовом волокне. Эти моды, или пути распространения света, могут иметь разную длину и разную задержку. В результате при распространении по волокну отдельный импульс может даже разделиться на несколько импульсов, а последовательные импульсы могут накладываться друг на друга, так что исходные данные будет невозможно остановить.

Такая рассинхронизация (jitter) встречается все же довольно часто, поэтому 802.3z Task Force и отложила принятие стандарта. Предложенное решение заключается в том, что световой сигнал источника формируется предварительно специальным образом, а именно свет от лазера распределяется равномерно по диаметру волокна, в результате чего он больше напоминает свет от светоизлучающего диода. Цель подобной процедуры состоит в более равномерном распределении энергии сигнала между всеми модами.

4.3.3.3 Расширение несущей

Один из ключевых вопросов для Gigabit Ethernet - это максимальный размер сети. Перенос без изменения всех отличительных составляющих Ethernet - минимального размера кадра, времени обнаружения коллизии (или кванта времени - time slot) и CSMA/CD - на Gigabit Ethernet обернулся бы сокращением диаметра сети до 20 м. Рабочий комитет 802.3z предложил увеличить время обнаружения коллизии с тем, чтобы сохранить прежний диаметр сети в 200 м. Такое переопределение подуровня MAC необходимо для Gigabit Ethernet, иначе отстоящие друг от друга на расстоянии 200 м станции не смогут обнаружить конфликт, когда они обе одновременно передают кадр длиной 64 байт.

Предложенное решение было названо расширением несущей (carrier extension). Суть его в следующем. Если сетевой адаптер или порт Gigabit Ethernet передает кадр длиной менее 512 байт, то он посылает вслед за ним биты расширения несущей, т. е. время обнаружения конфликта увеличивается. Если за время передачи кадра и расширения несущей отправитель зафиксирует коллизию, то он реагирует традиционным образом: подает сигнал затора (jam signal) и применяет механизм отката (back-off algorithm).

Очевидно, однако, что если все станции (узлы) передают кадры минимальной длины (64 байт), то реальное повышение производительности составит всего 12,5% (125 Мбит/с вместо 100 Мбит/с). С целью повышения эффективности Gigabit Ethernet комитет предложил метод пакетной передачи кадров. В соответствии с этим методом короткие кадры накапливаются и передаются вместе. Передающая станция заполняет интервал между кадрами битами расширения несущей, поэтому другие станции будут воздерживаться от передачи, пока она не освободит линию.

Проведенное AMD моделирование показывает, что в полудуплексной топологии с коллизиями сеть Gigabit Ethernet позволяет достичь пропускной способности 720 Мбит/с при полной нагрузке сети. Тем не менее подобные ухищрения (расширение несущей и пакетная передача кадров) свидетельствуют о том, что метод доступа к среде CSMA/CD в его теперешнем виде себя практически изжил.

Естественно, такие нововведения необходимы только для полудуплексного режима, так как для полнодуплексной передачи CSMA/CD не нужен. Действительно, в полнодуплескном режиме данные передаются и принимаются по разным путям, так что ждать завершения приема для начала передачи не требуется. Таким образом, в полнодуплескной топологии без коллизий реальная пропускная способность может превзойти указанный 72-процентный барьер и приблизиться к теоретическому максимуму в 2 Гбит/с.

5. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ

Разработка системы моделирования сводится к модификации исходных текстов Орлана с тем, чтобы он отвечал предъявленным к нему требованиям (см. раздел 1). Многие функции уже реализованы в Орлане. В частности, Орлан позволял:

·   графически строить конфигурацию исследуемой сети;

·   задавать параметры рабочих стангций, серверов, концетраторов коммутаторов и хранить их в базе данных;

·   соединять узлы и задавать параметры соединений;

·   проводить аналитическое моделирование заданной сети;

·   представлять результаты моделирования в виде графиков;

·   проводить экспресс-анализ сети;

·   сохранять конфигурацию сети в виде файлов проекта.

Требовалось внести следующие изменения:

· усовершенствовать графический интерфейс

· доработать большинство диалоговых окон, удалив неиспользуемые и добавив новые поля; доработать функции разметки узлов и поиска пути в сети; усовершенствовать модуль формирования параметров для аналитического моделирования;

и новые функции:

· имитационное моделирование;

· прогнозирование характеристик сети;

· представление результатов имитационного моделирования в виде графиков и сравнение их с результатами аналитики.

5.1 Состав системы

В целях улучшения повторяемости, расширяемости и повышения общей надежности был выбран принцип модульности системы. Это значит, что все выполняемые функции группировались по их назначению, причем каждая группа функций выполнялась своим модулем Связность модулей по данным выбиралась возможно ниже.

Итак, разработанная система Орлан имеет в своем составе следующие модули:

·   Модуль ввода данных

·   Модуль хранения данных.

·   Модуль быстрой оценки загрузки сети.

·   Модуль аналитического моделирования.

·   Модуль имитационного моделирования.

·   Модуль прогнозирования.

·   Модуль отображения результатов

Схема взаимодействия между ними приведена в прил. 1, а их назначение будет подробно описано ниже.

  5.2 Разработка модуля имитационного моделирования 5.2.1 Входные данные модуля

Для модуля имитационного моделирования входными данными являются:

1)  топология сети;

2)  рабочая нагрузка сети.

Топология сети задается в виде набора, или одномерного массива узлов с заданными связями между ними. Узлом является рабочая станция, коммутатор или сервер. Концетратор, хотя и учитывается при анализе топологии сети, в состав набора связей не включается. Причина этого в том, что концетратор, как и репитер, не изменяет сегментную структуру сети, в отличие от коммутаторов, маршрутизаторов и др.

Каждый узел имеет заданное количество портов. Например, рабочая станция, как правило – один порт Ethernet, сервер – один или два порта, коммутатор – более 16 портов. Каждому порту ставится в соответствие некоторое число, обозначающее номер соединения. Порты разных узлов, имеющие одинаковый номер соединения, считаются соединенными. Порт узла, которому присвоен номер соединения 0, считается свободным.

Рабочая нагрузка задается в виде набора заявок, где для каждой заявки указывается:

1)  маршрут заявки;

2)  размер запроса в байтах N_з;

3)  время подготовки запроса в секундах T_з;

4)  размер ответа в байтах N_о;

5)  время подготовки ответа в байтах T_о;

6)  время цикла заявки T_ц;

7)  нужен ли ответ сервера на запрос;

Заявка в данном случае обозначает совокупность запроса, который готовится на клиенте, и необязательного ответа на запрос, который готовится на сервере.

Запрос на своем пути от клиента к серверу обычно проходит через множество коммутаторов. Должен существовать только один путь между двумя любыми узлами сети, и он задается в виде маршрута заявки. Ответ, если он передается, проходит по тому же пути, что и запрос, но в обратном направлении.

Первый узел, на котором обрабатывается запрос – это сам клиент. Под обработкой в данном случае понимается приготовление запроса клиентским приложением в течение времени T_з. Один клиент может одновременно готовить несколько запросов для передачи на один и тот же или разные сервера. Время подготовки запроса на клиенте определяется только T_з и не зависит от N_з.

От размера пакета N_з зависит время его передачи по моноканалу. С увеличением N_т это время увеличивается, однако эта зависимость не линейная и определяется множеством факторов.

Параметры T_о и N_о имеют значение только в том случае, если требуется передать ответ сервера на запрос клиента. Если это так, их смысл аналогичен T_з и N_з соответственно.

Обычно клиентское приложение обращается к серверу с запросами на чтение и запись в базу данных, загрузку WEB-страниц и т.д. В данном случае клиент обычно не посылает следующего запроса до тех пор, пока он не получит ответ на уже посланный запрос. Чтобы задать такое его функционирование, следует указать время цикла T_ц равным 0.

Довольно часто (например, на производстве) применяют датчики различных параметров, которые сообщают требуемую информацию через определенные равные промежутки времени. Эти промежутки времени следует указать в качестве времени цикла T_ц.

5.2.2 Описание работы модуля 5.2.2.1 Алгоритмическая основа

Так как данный модуль моделирует функционирование сети Ethernet в соответствии со стандартом IEEE 802.3, алгоритм его работы определяется указанным стандартом, подробно описанным в разделах 4.3.1-4.3.3. Однако, имеют место некоторые обобщения и упрощения этого алгоритма, не оказывающие значительного влияния на достоверность имитационной модели.

5.2.2.2 Выбор кванта времени моделирования

Временные параметры функционирования сетей Ethernet обычно выражаются через время передачи одного бита при данной пропускной способности. Аналогично поступим в нашем случае.

Для моделирования был выбран минимальный промежуток, или квант времени t_min, равный 1 нс = 10^-9с, умножением которого на целое число n_x рассчитываются все необходимые задержки. Число n_t определяется следующим образом:

n_x = T_x / t_min,

где T_x = требуемая задержка.

Например, передача одного байта при скорости передачи 1 Гбит/с займет: n_x = ( 1 / 10⁹ с) * 8 / 10^-9 с = 8 [квантов].

В моделируемой сети может быть несколько участков (доменов коллизий) с разными пропускными способностями. Каждому такому участку назначается свое n_x в зависимости от его пропускной способности.

При уменьшении t_min увеличивается точность моделирования, однако значительно возрастает вычислительная нагрузка. Поэтому предусмотрена возможность использования адаптивного минимального промежутка t_{min ад}. Например, если все участки сети работают на скорости передачи 10 Мбит/c, нет необходимости ждать каждому участку для передачи одного байта n_x= ( 1 / 10 * 10⁶ с) * 8 / 10^-9 c = 800 [квантов]. В этом случае целесообразней взять

t_{min ад} = t_min * n_x= 10^-9 с * 800 = 8 * 10^-7 c и адаптивное n_{x ад} = 1.

Значения n_{x ад} и t_{min ад} определяются участком сети с наибольшей пропускной способностью.

Время, необходимое для передачи одного байта информации в данном участке сети, мы будем называть тактом.

5.2.2.3 Описание структуры данных

Параметры устройств сети и заявок представляются в виде классов объектов на языке Object Pascal. Основными классами модуля являются:

1)  Domain, представляющий домен коллизий сети Ethernet. Он имеет в своем составе переменные:

·   TicsPerTact : integer – число квантов t_minад, необходимое для передачи одного байта в этом домене.

·   TicsLeft : integer – сколько осталось квантов времени до конца текущего такта.

·   TotalTacts : int64 – суммарное число тактов, промоделированное в этом домене.

·   FrameMinLength : byte – время, в течение которого возможно обнаружение коллизий.

·   JobWaitTics : array of int64 – общее время ожидания каждой заявки в данном домене, включая время на ожидание в очереди.

·   JobServicingTics : array of int64 – общее время ожидания каждой заявки в данном домене, без учета времени на ожидание в очереди

2)  NetNode, представляющий такие узлы сети, как клиент, сервер или коммутатор. Он содержит переменные:

·   Сonns : array [0..31] of integer – массив номеров доменов, к которым подключен этот узел. Как правило, для рабочей станции используется только одно подключение, для коммутатора – несколько.

·   MaxTaskNumber : integer – максимальное число заявок, которые могут одновременно обрабатываться в этом узле.

·   TotalTacts : int64 – суммарное число тактов, промоделированное в этом узле.

·   JobWaitTics : array of int64 – общее время ожидания каждой заявки в данном узле, включая время на ожидание в очереди.

·   JobServicingTics : array of int64 – общее время ожидания каждой заявки в данном узле, без учета времени на ожидание в очереди

3)  NetJob, хранящий параметры каждой заявки. Большинство параметров уже описывалось выше. Это

·   ReqSize : integer – размер запроса в байтах.

·   AnsSize : integer – размер ответа в байтах.

·   AnssNumber : integer – сколько нужно ответов на запрос клиента. Может принимать значения 0 или 1.

·   CycleTyme : int64 – время цикла заявки.

Остальными параметрами заявки являются:

·   Hops : array of integer – маршрут заявки, составленный из номеров узлов. Первым в этом списке идет номер клиента, последним – номер сервера. Между ними указываются номера коммутатором.

·   HopDelays : array if int64 – массив задержек заявки в каждом узле. Времена подготовки на клиенте и обработки на сервере стоят в этом массиве на первом и последнем местах соответственно.

·   FrameState : FrameStateType – текущее состояние заявки. Возможные состояния показаны на структуре имитационной модели в приложении. В программе они обозначены следующим образом:

 FrameStateType = (

StInBuffer, – ожидание пакета во входном буфере узла;

StNetNode, – обработка пакета в узле;

StCanCollide, – передача начала пакета в канале;

StTransmission, – передача остатка пакета;

StPostWait, – ожидание полного освобождения канала после передачи;

StRandomWait, – пауза в передаче после возникновения столкновения;

StWaitForFree, – ожидание освобождения канала перед передачей;

StWaitForCycle ) – ожидание окончания цикла, если требуется.

4)  NetWork, объединяющий три вышеперечисленных класса. Он содержит массивы объектов Domain, NetNode и NetJob.

Задание и хранение топологии сети, а также поиск пути между клиентом и сервером возлагается на другие модули Орлана.

5.2.3 Выходные данные модуля

Результаты моделирования хранятся в переменных JobWaitTics, JobServicingTics, TotalTacts, StatSuccCount. Их значения становятся доступными после окончания моделирования, их на их основе рассчитываются характеристики сети, интересующие сетевого администратора и пользователя.