2.6.3. Структура физической среды Ethernet
Информационная сеть 10Base-T, использует в качестве среды две неэкранированные витые пары UTP телефонного кабеля. Сеть имеет звездообразную структуру благодаря тому, что узлы сети соединяются друг с другом через посредство специального устройства, называемого концентратором или хабом (hub). Концентратор, являясь многопортовым повторителем, усиливает полученный им сигнал и распределяет его по всем узлам, подключенным к концентратору, кроме узла, на который данный сигнал поступил. Если сигналы поступают сразу на два входа концентратора, то он фиксирует коллизию и формирует усиленный сигнал глушения передачи, состоящий из 32 бит (jam-последовательность). Благодаря подключению узлов сети через концентратор (см. рис.2.7), образуется единая среда передачи данных, эквивалентная общей шине (логическая общая шина). Как видно на рис.2.7, передатчик Тх каждого сетевого адаптера соединяется с приемником Rx соответствующего входа концентратора, а передатчик каждого выхода концентратора соединяется с входом приемника соответствующего сетевого адаптера. При скорости передачи 10 Мбит/с длина кабеля на витой паре между сетевым адаптером узла сети и концентратором не может превышать 100 м, что определяется полосой пропускания и затухания сигнала в витой паре.
Рис. 2.7.Структура сети 10Base-T: Тx – передатчик; Rx – приемник
Концентраторы можно соединять друг с другом тем же способом, что и с сетевыми адаптерами. Надежное распознавание возникающих в сети коллизий при минимальной длине пересылаемого кадра в 72 байт и уверенная синхронизация обменивающихся информацией узлов сети обеспечиваются при максимальном числе концентраторов между двумя любыми узлами не более четырех (правило четырех хабов). Общее число узлов в сети 10Base-T не должно превышать заданного стандартом предела в 1024 узла. Чтобы создать информационную сеть, насчитывающую сотни узлов, достаточно использовать двухуровневую иерархическую структуру, в которой корневой концентратор с несколькими десятками портов Tx –Rx обменивается информацией через каждый свой порт с ведомыми концентраторами, каждый из которых, в свою очередь, обеспечивает обмен информацией с несколькими десятками конечных узлов.
Максимальный диаметр сети 10Base-T при условии установки четырех хабов может, очевидно, достичь 500 м: по 100 м между хабами и еще по 100 м с каждого конца сети. Если требуется сеть большей длины, необходимо переходить на оптоволоконный стандарт 10Base –F, но тогда информационная сеть обойдется дороже.
Применение концентраторов приводит к разделению общего кабеля сети на отдельные кабельные отрезки, каждый из которых связан одним конечным узлом и подключен к центральному коммуникационному устройству. Наличие концентратора позволяет контролировать отдельные отрезки сети, отключая их в случае неисправности кабеля или сетевого адаптера. При этом сохраняется работоспособность остальной части сети.
Сигналы, передаваемые по линии связи, должны обеспечивать самосинхронизацию и отсутствие постоянной составляющей. Самосинхронизация состоит в определении приемником момента считывания данных по фронту приходящего информационного сигнала, а отсутствие постоянной составляющей необходимо для обеспечения возможности реализации трансформаторной гальванической развязки между приемником и передатчиком. Стандарт 10Base-T, как и другие сети Ethernet, обеспечивает выполнение указанных требований путем применения при передаче информации манчестерского кода. При манчестерском кодировании каждый такт, соответствующий передаче одного бита информации, организуется так, что значение бита, определяется перепадом потенциала в середине такта. Единица кодируется перепадом от отрицательного уровня к положительному, а ноль – обратным перепадом. При необходимости в начале такта производится служебный перепад потенциала, который не является информационным, но подготавливает перепад нужного характера в середине такта. Если С—битовая скорость передачи данных, то основная гармоника передаваемых сигналов имеет частоту С Гц при передаче последовательности либо одних нулей, либо одних единиц, но её частота равна С/2 Гц при передаче перемежающихся нулей и единиц.
Оптоволоконная сеть Ethernet, построенная в соответствии со стандартом 10Base-F, имеет такую же структуру, что и сеть стандарта10Base-T, показанная на рис.2.7. Только вместо витой пары здесь применяется многомодовое оптическое волокно с полосой пропускания не менее 500 МГц. Благодаря использованию оптоволокна максимальное расстояния между узлом и концентратором увеличивается до 2000 м при общей длине сети до 2500 м. Из-за повышенной стоимости оптоволоконного кабеля и связного оборудования оптоволоконные линии употребляют по преимуществу для связи между концентраторами, причем правило четырех хабов сохраняется.
Сети Fast Ethernet применяются, если необходимо многократно увеличить пропускную способность. Структура сетей Fast Ethernet такая же, как и у сетей 10Base-T/10Base-F: древовидная, построенная на концентраторах (см. рис.2.7). Основным отличием является сокращение диаметра сети до 200 м для сетей 100Base-TX и примерно до 300 м для сетей 100Base-FX, что объясняется уменьшением времени передачи кадра минимальной длины в 10 раз за счет увеличения скорости передачи в 10 раз. Соответственно уменьшается запас времени на ликвидацию последствий коллизий. Увеличение диаметра сетей за указанные пределы возможно за счет применения коммутаторов. Коммутаторы выполняют те же функции, что и концентраторы, но одновременно они разделяют сети Ethernet на автономные сегменты, так что коллизии, возникающие этих сегментах, через коммутатор не передаются. Ограничение коллизий пределами отдельного сегмента позволяет наращивать длину сети путем последовательного соединения сегментов.