7.2. Технология Ethernet (802.3).

Ethernet (от слов ether - эфир, net - сеть) — это самый распространенный на сегодняшний день стандарт локальных сетей. Когда говорят Ethernet, то под этим обычно понимают любой из вариантов этой технологии. В более узком смысле Ethernet — это сетевой стандарт, основанный на экспериментальной сети Ethernet Network, которую фирма Xerox разработала и реализовала в 1975 году.

В зависимости от типа физической среды стандарт IEEE 802.3 имеет различные модификации - 10Base-5, 10Base-2, 10Base-T, 10Base-FL, lOBase-FB.

В 1995 году был принят стандарт Fast Ethernet, который во многом не является самостоятельным стандартом, о чем говорит и тот факт, что его описание просто является дополнительным разделом к основному стандарту 802.3 — разделом 802.3и. Аналогично, принятый в 1998 году стандарт Gigabit Ethernet описан в разделе 802.3z основного документа.

Для передачи двоичной информации по кабелю для всех вариантов физического уровня технологии Ethernet, обеспечивающих пропускную способность 10 Мбит/с, используется манчестерский код. В более скоростных версиях Ethernet применяются более эффективные в отношении полосы пропускания избыточные логические коды.

Все виды стандартов Ethernet (в том числе Fast Ethernet и Gigabit Ethernet) используют один и тот же метод разделения среды передачи данных — метод CSMA/CD.

Протокол IEEE 802.3 описывает физическую сеть с логической общей шиной со случайным доступом. Ее особенности состоят в том, что все сетевые адаптеры непрерывно прослушивают сеть; для передачи своих данных узел должен дождаться освобождения сети; передачу случайно могут начать одновременно несколько станций, то есть возникает столкновение данных - коллизия, и необходимо специальное правило разрешения коллизии; данные передаются во всех направлениях, и все подключенные компьютеры могут принимать любую посылку данных. Однако, лишь тот компьютер, которому предназначается данная посылка, отвечает посылкой в ЛВС подтверждения ее приема.

На подуровне MAC канального уровня доступ к сети для этого стандартного протокола IEEE 802.3 определяется другим протоколом, который называется «Множественный доступ с опознаванием несущей и обнаружением коллизий» (Carrier Sense Multiply Access / Collision Detection, CSMA/CD). Его суть в том, что если сеть свободна, любой компьютер может начать передачу своих данных.

Но если возникает коллизия, то все компьютеры прекращают передачу данных и после некоторой паузы (ее длительность - случайная величина) вновь возобновляют передачу, пока данные не будут полностью переданы (рис.15). Таким образом, чем больше передач (особенно длинных данных мультимедиа) или пользователей в сети, тем медленнее она будет работать.

Возникновение, обнаружение и разрешение коллизии. Коллизия - это нормальная ситуация, когда на общем кабеле сталкиваются кадры двух станций, вызывая искажение информации. Она случается реже при одновременном начале передачи, чаще, если до второй станции не успевает дойти информация о занятости среды первой станцией (рис.1).

Если станция в момент передачи кадра обнаруживает коллизию (отличие передаваемых и наблюдаемых сигналов), она прерывает передачу и усиливает ситуацию посылкой в сеть специальной jam-последовательности (32-бита). После этого станция делает короткую паузу (Р) случайной длины, после чего снова будет пытаться захватить среду. В Ethernet принято ключевые параметры измерять в битовых интервалах (bt). Битовый интервал - время между появлением двух последовательных битов данных на кабеле - составляет 1/10 Мбит/с = 100 не.

P = 512btxL = 51,2 мкс * L, где L - случайное целое число из диапазона [О, 2N], N - номер попытки новой передачи (N = 1, 2, ..., 10). После 10-й попытки диапазон не увеличивается. Таким образом, Р = 0 ^ 52,4 мс. Предельное число попыток - 16, после чего производится сброс.

Если станция не успеет обнаружить коллизию до конца передачи любого кадра и решит, что кадр передан верно, то этот (искаженный) кадр будет отбракован уже принимающей стороной, например, из-за несовпадения контрольной суммы. Повторная передача данного кадра протоколами более высоких уровней (4 или 7) приведет к заметному снижению полезной пропускной способности сети, так как потребует секунд вместо микросекундных интервалов Ethernet.

Производительность сети Ethernet. Метод доступа CSMA/CD носит вероятностный характер, когда негарантированная возможность передачи зависит от загруженности среды. При значениях коэффициента использования сети выше 50% полезная пропускная способность сети резко падает. Это происходит из-за роста интенсивности коллизий и времени ожидания доступа к среде.

Максимально возможная пропускная способность сегмента Ethernet достигается при передаче кадров минимальной длины (72 байта) и составляет 14880 кадров/с. При этом полезная пропускная способность сети составляет всего 5,48 Мбит/с (чуть выше половины номинальной).

Максимально возможная полезная пропускная способность сети Ethernet составляет 9,75 Мбит/с и достигается при использовании кадров максимальной длины (1518 байтов), передаваемых в этом случае со скоростью 513 кадров/с.

При отсутствии коллизий и ожидания доступа коэффициент использования сети зависит от размера поля данных кадра и имеет максимальное значение 0,96.

Технология Ethernet поддерживает 4 разных типа кадров, которые имеют общий формат адресов узлов. Поэтому адаптеры по формальным признакам автоматически распознают тип кадра.

Спецификации физической среды Ethernet. Все они сохраняют протокол CSMA/CD и скорость 10 Мбит/с.

Стандарт 10Base-5. Использует «толстый» коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50 Ом. Длина сегмента без повторителей - до 500 м, на концах ставят терминаторы (заглушки) сопротивлением 50 Ом для исключения отражения сигналов. Станция подключается к кабелю с помощью приемопередатчика трансивера (transmitter+receiver = transceiver), устанавливаемого на кабеле методом прокалывания или бесконтактным методом. Трансивер соединяется с сетевым адаптером интерфейсным кабелем AUI (Attachment Unit Interface) длиной до 50 метров, состоящим из 4 витых пар, через разъем DB-15. Допускается подключение к сегменту до 100 трансиверов с шагом не менее 2,5 м. Для объединения сегментов используются повторители. Существует знаменитое «правило 5-4-3», вводящее ограничения на число сегментов - 5, повторителей - 4, нагруженных сегментов (чередующихся с ненагруженными) - 3. Поскольку повторитель подключается к сегменту одним своим трансивером, максимальное число узлов в сети составляет 99 + 98 + 99 = 296. Максимальная длина сети - 2500 м.

Стандарт 10Base-2. Использует «тонкий» коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50 Ом. Трансиверы объединены с адаптерами. Длина сегмента без повторителей - до 185 м, на концах также ставят терминаторы сопротивлением 50 Ом. Станция подключается к кабелю с помощью высокочастотного Т-образного байонетного коннектора (Bayonet Nut Connector, BNC), центральный отвод которого соединяется с сетевым адаптером, а два других - с отрезками кабеля длиной не менее 1 м. Также использует повторители и «правило 5-4-3». Максимальное число станций в сегменте составляет 30 минус число повторителей, максимальное число узлов равно 29 + 28 + 29 = 86. Максимальная длина сети - 925 м. Надежность ниже, чем у 10Base-T. Общий недостаток всех коаксиальных систем - отсутствие оперативной информации о состоянии моноканала.

Стандарт 10Base-T (802.3i). Использует в качестве среды две неэкранированные витые пары UTP категории 3. Каждый конечный узел соединяется двумя витыми парами с концентратором (хабом), в результате чего образуется логическая общая шина (рис.2).

Одна витая пара здесь передает данные концентратору (выход Тх сетевого адаптера), другая - обратно станции (вход Rx сетевого адаптера). Концентратор обнаруживает коллизию в сегменте и посылает jam-последовательность на все свои входы Тх. Максимальное расстояние «станция-концентратор» - 100 м. Концентраторы 1OBase-T можно соединять друг с другом двумя витыми парами (подобно рис.2). Существует известное «правило 4-х хабов»: максимальное число концентраторов между любыми двумя станциями сети равно 4. При создании сети 1OBase-T с большим числом станций концентраторы можно соединять друг с другом иерархически, образуя древовидную структуру (рис.3). Петлевидное соединение концентраторов запрещено. Максимальное число станций в сети 10Base-T равно 1024. Оно достижимо при двухуровневой иерархии концентраторов (рис.4).

Максимальное расстояние между двумя станциями (максимальный диаметр сети) при четырех хабах - 5 * 100 м = 500 м. Появление между конечными узлами сети активного устройства, которое может контролировать работу узлов и отключать от сети некорректно работающие узлы, является главным преимуществом технологии 1 OBase-T по сравнению со сложными в эксплуатации коаксиальными сетями. Благодаря концентраторам сеть Ethernet приобрела некоторые черты отказоустойчивой системы.

Оптоволоконный Ethernet. Основной тип кабеля многомодовое оптическое волокно, обладающее полосой пропускания 500-800 МГц при длине кабеля в 1 км. Допустимо и более дорогое одномодовое оптоволокно с полосой пропускания в несколько ГГц, требующее трансивера специального типа. Функционально и по составу (сетевые адаптеры, концентраторы) данная сеть подобна сети 10Base-T, но вместо витых пар используются отрезки оптоволокна.

Стандарт FOIRL (Fiber Optic Inter-Repeater Link). Он гарантирует длину оптоволоконной связи между концентраторами до 1 км при общей длине сети до 2500 м. «Правило 4-х хабов» здесь работает.

Стандарт 10Base-FL представляет собой незначительное улучшение стандарта FOIRL. Увеличена мощность передатчиков, поэтому максимальное расстояние «узел-концентратор» - 2000 м. «Правило 4-х хабов» работает. Максимальная длина сети - 2500 м.

Стандарт 10Base-FB предназначен только для соединения концентраторов. Между узлами сети можно установить до 5 концентраторов 10Base-FB при максимальной длине сегмента - 2000 м и максимальной длине сети - 2740 м. Концентраторы при отсутствии кадров постоянно обмениваются специальными последовательностями сигналов для поддержания синхронизации (отсюда название синхронный Ethernet). Поэтому они вносят меньшие задержки при передаче кадров между сегментами. Петли не допускаются.

Домен коллизий. Это часть сети Ethernet, все узлы которой распознают коллизию независимо от того, где она возникла. Домен коллизий соответствует одной разделяемой среде. Сеть, построенная на концентраторах (рис.3-4), всегда образует один домен коллизий. Мосты, коммутаторы и маршрутизаторы делят сеть Ethernet на несколько доменов коллизий. Они не передают сигнал коллизии (jam-последовательность) на свои остальные порты, так как это не входит в их обязанности. [Раздел 7. Пункт 7.1.]