Технология Ethernet

Все станции, подключенные к кабелю, начинают записывать байты  передаваемого кадра в свои внутренние буферы. Первые 6 байт кадра содержат адрес назначения. Та станция, которая узнает собственный адрес в заголовке кадра, продолжает записывать его содержимое в свой внутренний буфер, а остальные станции на этом прием кадра прекращают. Станция назначения обрабатывает полученные данные, передает их вверх по своему стеку. Кадр Ethernet содержит не только адрес назначения, но и адрес источника данных, поэтому станция-получатель знает, кому нужно послать ответ.

Рисунок 3.1 – Метод случайного доступа CSMA/CD

 

Узел 2 во время  передачи кадра узлом 1 также пытался  начать передачу своего кадра, однако обнаруживает, что среда занята – на ней присутствует несущая частота, – поэтому узел 2 вынужден ждать, пока узел 1 не прекратит передачу кадра.

После окончания  передачи кадра все узлы сети обязаны выдержать технологическую паузу, равную межпакетному интервалу (Inter Packet Gap, IPG) в 9,6 мкс. Эта пауза нужна для приведения сетевых адаптеров в исходное состояние, а также для предотвращения монопольного захвата среды одной станцией. После окончания технологической паузы узлы имеют право начать передачу своего кадра, так как среда свободна

 

2.3 Возникновение коллизии

Механизм прослушивания  среды и пауза между кадрами  не гарантируют исключения такой  ситуации, когда две или более станции одновременно решают, что среда свободна, или же один узел начинает передачу, а через некоторое (короткое) время другой узел, проверив среду и не обнаружив несущую, начинает передачу своего кадра. Говорят, что при этом происходит коллизия, так как содержимое обоих кадров сталкивается на общем кабеле и происходит искажение информации.

Коллизия – это нормальная ситуация в работе сетей Ethernet. В примере на рис. 3.2 коллизию породила одновременная передача данных узлами 3 и 1. Для возникновения коллизии не обязательно, чтобы несколько станций начали передачу абсолютно одновременно, такая ситуация маловероятна. Таким образом, возникновение коллизии является следствием распределения узлов сети в пространстве.

Рисунок 3.2 –  Схема возникновения и распространения коллизии

 

Чтобы корректно  обработать коллизию, все станции  одновременно наблюдают за возникающими на кабеле сигналами. Если передаваемые и наблюдаемые сигналы отличаются, то фиксируется факт обнаружения коллизии (Collision Detection, CD). Для увеличения вероятности скорейшего обнаружения коллизии всеми станциями сети станция, которая обнаружила коллизию, прерывает передачу своего кадра и усиливает ситуацию коллизии посылкой в сеть специальной последовательности из 32 бит, называемой jam-последовательностью.

После этого  обнаружившая коллизию передающая станция  обязана прекратить передачу и сделать  паузу в течение короткого  случайного интервала времени. Затем  она может снова предпринять  попытку захвата среды и передачи кадра.

 

2.4 Время оборота и распознавание коллизий

Надежное распознавание  коллизий всеми станциями сети является необходимым условием корректной работы сети Ethernet. Если какая-либо передающая станция не распознает коллизию и  решит, что кадр данных передан ею верно, этот кадр будет утерян. Из-за наложения сигналов при коллизии информация кадра исказится, и он будет отбракован принимающей станцией из-за несовпадения контрольной суммы. Скорее всего, недошедшие до получателя данные будут повторно переданы каким-либо протоколом верхнего уровня, например транспортным или прикладным, работающим с установлением соединения, или протоколом LLC, если он работает в режиме LLC2. Но повторная передача сообщения протоколами верхних уровней произойдет гораздо позже (иногда по прошествии нескольких секунд), чем повторная передача средствами сети Ethernet, работающей с микросекундными интервалами. Поэтому если коллизии не будут надежно распознаваться узлами сети Ethernet, то это приведет к заметному снижению полезной пропускной способности сети.

В результате учета всех факторов было тщательно подобрано соотношение между минимальной длиной кадра и максимально возможным расстоянием между станциями сети; которое обеспечивает надежное распознавание коллизий. Это расстояние называют максимальным диаметром сети. Для всех типов сетей Ethernet оно должно превышать 2500м.

В табл. 3.1 приведены значения основных параметров передачи кадра стандарта 802.3, которые не зависят от физической среды. Важно отметить, что каждый вариант физической среды технологии Ethernet добавляет к этим ограничениям свои, часто более строгие ограничения, которые также должны выполняться и которые будут рассмотрены ниже.

 

Таблица 3.1 Параметры уровня MAC Ethernet

Параметры	Значения
Битовая скорость	10 Мбит/с
Интервал отсрочки	512 битовых интервала
Межкадровый, или  межпакетный, интервал (IPG)	9,6 мкс
Максимальное  число попыток передачи	16
Максимальное  число возрастания диапазона  паузы	10
Длина jam-последовательности	32 бит
Максимальная  длина кадра (без преамбулы)	1518 байт
Минимальная длина кадра (без преамбулы)	64 байт (512 бит)
Длина преамбулы	64 бит
Минимальная длина  случайной паузы после коллизии	0 битовых интервалов
Максимальная  длина случайной паузы после  коллизии	524000 битовых  интервала
Максимальное  расстояние между станциями сети	2500 м
Максимальное  число станций сети	1024

 

 

 

3. Форматы кадров технологии Ethernet

Стандарт технологии Ethernet, определенный в документе IEEE802.3, дает описание единственного формата  кадра уровня MAC. Так как в кадр уровня MAC должен вкладываться кадр уровня LLC, описанный в документе IEEE802.2, то по стандартам IEEE в сети Ethernet может использоваться только единственный вариант кадра канального уровня, заголовок которого является комбинацией заголовков подуровней MAC и LLC.

Тем не менее на практике в сетях Ethernet на канальном уровне используются кадры 4-х различных форматов (типов) (рис. 4.1). Один и тот же тип кадра может иметь разные названия, поэтому далее для каждого типа кадров приведено несколько наиболее употребительных названий.

Кадр Ethernet DIX появился в результате работы консорциума трех фирм Digital, Intel и Xerox в 1980 году, который представил на рассмотрение комитету 802.3 свою фирменную версию стандарта Ethernet в качестве проекта международного стандарта.

Однако комитет 802.3 принял стандарт, отличающийся в некоторых деталях от предложения DIX, причем отличия касались и формата кадра. Так возник формат кадра 802.3/LLC, 802.3/802.2, или Novell 802.2.

Кадр Ethernet SNAP стал результатом деятельности комитета 802.2 по приведению предыдущих форматов кадров к некоторому общему стандарту и приданию кадру необходимой гибкости для учета в будущем возможностей добавления полей или изменения их назначения.

Рисунок 4.1 – Форматы кадров Ethernet

 

Из-за того что  существует четыре типа кадров Ethernet, дл протоколов сетевого уровня возникает проблема – пользоваться ли всегда одним типом кадра, применять все четыре или же отдавать предпочтение только некоторым из них.

Протокол IP может  использовать два типа кадров: оригинальный кадр Ethernet II и наиболее структурно сложный кадр Ethernet SNAP. Предпочтительным типом кадра для протокола IP является кадр Ethernet II.

Протокол IPX «является  максималистом», он может работать со всеми четырьмя типами кадров Ethernet.

 

4. Спецификации физической среды Ethernet

Исторически первые сети технологии Ethernet были созданы на коаксиальном кабеле диаметром 0,5 дюйма. В дальнейшем были определены и другие спецификации физического уровня для стандарта Ethernet, позволяющие задействовать различные среды передачи данных. Метод доступа CSMA/CD и все временные параметры остаются одними и теми же для любой спецификации физической среды технологии Ethernet10 Мбит/с.Физические спецификации технологии Ethernet на сегодня включают следующие среды передачи данных.

10Base-5 – коаксиальный кабель диаметром 0,5 дюйма, называемый «толстым» коаксиалом. Имеет волновое сопротивление 50 Ом. Максимальная длина сегмента – 500 метров (без повторителей).

10Base-2 – коаксиальный кабель диаметром 0,25 дюйма, называемый «тонким» коаксиалом. Имеет волновое сопротивление 50 Ом. Максимальная длина сегмента – 185 метров (без повторителей).

10Base-T– кабель на основе неэкранированной витой пары (UTP). Образует звездообразную топологию на основе концентратора. Расстояние между концентратором и конечным узлом – не более 100 м.

10Base-F– волоконно-оптический кабель. Топология аналогична топологии стандарта 10Base-T. Имеется несколько вариантов этой спецификации – FOIRL(расстояние до 1000 м), 10Base-FL(расстояние до 2000 м), 10Base-FB(расстояние до 2000 м).

Число 10 обозначает номинальную битовую скорость передачи данных этих стандартов – 10 Мбит/с, а слово «Base» – метод передачи на одной базовой частоте 10 МГц – в отличие от методов, использующих несколько несущих частот. Последний символ в названии стандарта физического уровня обозначает тип кабеля.

 

4.1 Волоконно-оптическая сеть Ethernet

В качестве среды  передачи данных 10-мегабитная сеть Ethernet использует оптическое волокно. Оптоволоконные стандарты в качестве основного типа кабеля рекомендуют достаточно дешевое многомодовое оптическое волокно, обладающее полосой пропускания 500-800 МГц при длине кабеля 1 км.

Функционально сеть Ethernet на оптическом кабеле состоит из тех же элементов, что и сеть стандарта 10Base-T– сетевых адаптеров, многопортового повторителя и отрезков кабеля, соединяющих адаптер с портом повторителя. Как и в случае витой пары, для соединения адаптера с повторителем используются два оптоволокна – одно соединяет выход Тх адаптера с входом Rx повторителя, а другое – вход Rx адаптера с выходом Тх повторителя.

Стандарт FOIRL (Fiber Optic Inter-Repeater Link – волоконно-оптический канал между повторителями) представляет собой первый стандарт комитета 802.3 для использования оптоволокна в сетях Ethernet. Он гарантирует длину оптоволоконной связи между повторителями до 1 км. Максимальное число повторителей между любыми узлами сети – 4. Как и в стандарте 10Base-5, максимального диаметра в 2500 м здесь достичь можно, однако отрезки кабеля предельного размера между всеми 4 повторителями, а также между повторителями и конечными узлами недопустимы – иначе получится сеть длиной 5000 м.

Стандарт 10Base-FLпредставляет собой незначительное улучшение  стандарта FOIRL. Увеличена мощность передатчиков, поэтому максимальное расстояние между узлом и концентратором увеличилось до 2000 м. Максимальное число повторителей между узлами осталось равным 4, и стандартная максимальная длина сети 2500 м достижима.

Стандарт 10Base-FBпредназначен только для соединения повторителей. Конечные узлы не могут использовать этот стандарт для присоединения к портам концентратора. Между узлами сети можно установить до 5 повторителей10Base-FBпри максимальной длине одного сегмента 2000 м и максимальной длине сети 2740 м.

 

5. Основные достоинства технологии Ethernet

Главным достоинством сетей Ethernet, благодаря которому они  стали такими популярными, является их экономичность. Для построения сети достаточно иметь по одному сетевому адаптеру для каждого компьютера плюс один физический сегмент коаксиального  кабеля нужной длины.

Кроме того, в  сетях Ethernet реализованы достаточно простые алгоритмы доступа к  среде, адресации и передачи данных. Простота логики работы сети ведет  к упрощению и, соответственно, снижению стоимости сетевых адаптеров  и их драйверов. По той же причине адаптеры сети Ethernet обладают высокой надежностью.

И, наконец, еще  одним замечательным свойством  сетей Ethernet является их хорошая расширяемость, то есть возможность подключения  новых узлов.

 

Заключение

 

Разделяемые локальные  сети представляют собой наиболее простой и дешевый в реализации тип локальных сетей. Основной недостаток разделяемых локальных сетей состоит в плохой масштабируемости, так как при увеличении узлов сети уменьшается доля пропускной способности, приходящаяся на каждый узел.

Специфика локальных сетей нашла свое отражение в разделении канального уровня на два подуровня – LLC и MAC.

Уровень MAC отвечает за доступ к разделяемой среде и отправку через нее кадров. В стандарты 802 определяют различные методы доступа, которые делятся на две категории: случайные и детерминированные. Случайные методы доступа обеспечивают минимальную задержку доступа к среде при низкой загрузке среды. Детерминированные методы доступа могут работать при большей загруженности сетей.

Протокол LLC обеспечивает для протоколов верхних уровней нужное качество транспортных услуг, передавая кадры либо дейтаграммным способом, либо с помощью процедур с установлением соединения и восстановлением кадров.

Ethernet– самая распространенная на сегодняшний день технология локальных сетей. В широком смысле Ethernet– это семейство технологий, в которое входит фирменный стандарт Ethernet DIX, а также стандарты IEEE802.3 Ethernet10 Мбит/с, FastEthernet, GigabitEthernet и 10GEthernet. Все виды технологий Ethernet, кроме 10GEthernet, используют один и тот же метод доступа CSMA/CD.

Наличие коллизий – это неотъемлемое свойство сетей Ethernet, являющееся следствием принятого случайного метода доступа. Возможность четкого распознавания коллизий обусловлена соблюдением соотношения между минимальной длиной кадра и максимально возможным диаметром сети.

Максимально возможная  пропускная способность сегмента Ethernet10 Мбит/с в кадрах в секунду достигается  при передаче кадров минимальной  длины и составляет 14 880 кадр/с. При  этом полезная пропускная способность сети составляет всего 5,48 Мбит/с, что лишь ненамного превышает половину номинальной пропускной способности – 10 Мбит/с.

Максимально возможная  полезная пропускная способность сети Ethernet при передаче кадров максимальной длины в 1518 байт составляет 513 кадр/с. Эти кадры передаются по сети со скоростью 9,75 Мбит/с, которая близка к номинальной.

Технология Ethernet поддерживает 4 разных типа кадров, которые имеют общий формат адресов узлов. Существуют формальные признаки, по которым сетевые адаптеры автоматически распознают тип кадра.