Вопрос 4. Технология Ethernet: области применения, протоколы доступа, основные спецификации, форматы кадров.

Технология Ethernet была разработана в исследовательском центре компании Xerox в 70-х годах. Ethernet стала базой спецификации IEEE 802.3, которая была опубликована в 1980 году. Вскоре после этого компании Digital Equipment (DEC), Intel и Xerox совместно разработали и приняли вторую версию спецификации Ethernet, совместимую с IEEE 802.3. В настоящее время термин Ethernet чаще всего используют для описания всех локальных сетей, работающих в соответствии с принципами CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection) – множественного доступа с контролем несущей и обнаружением коллизий, что соответствует спецификации Ethernet IEEE 802.3. В модели OSI протокол CSMA/CD относится к доступу к среде. На этом уровне определяется формат, в котором информация передается по сети, и способ, с помощью которого сетевое устройство получает доступ к сети для передачи данных.

CSMA/CD состоит из двух частей: Carrier Sense Multiple Access и Collision Detection. Первая часть определяет, каким образом рабочая станция с сетевым адаптером «ловит» момент, когда ей следует послать сообщение. В соответствии с протоколом CSMA, рабочая станция вначале «слушает» сеть, чтобы определить, не передается ли в данный момент какое-либо другое сообщение. Если слышится несущий сигнал (carrier tone), значит, в данный момент сеть занята другим сообщением – рабочая станция переходит в момент ожидания и находится в нем до тех пор, пока сеть не освободится. Когда в сети наступает молчание, станция начинает передачу. Вторая часть - Collision Detection – служит для разрешения ситуаций, когда две или более рабочие станции пытаются передавать сообщения одновременно. В этом случае передаваемые данные наложатся друг на друга и ни одно из сообщений не дойдет до получателя. Такую ситуацию называют конфликтом или коллизией (сигналы одной станции перемешаются с сигналами другой). Collision Detection требует, чтобы станция прослушала сеть также и после передачи пакета. Если обнаруживается конфликт, ситуация повторяет передачу пакета через случайно выбранный промежуток времени. Затем она вновь проверяет, не произошел ли конфликт. Термин «множественный доступ» подчеркивает тот факт, что все станции имеют одинаковое право на доступ к сети. Если одна из станций обнаружит коллизию, она пошлет специальный сигнал, предупреждающий другие станции о произошедшем конфликте. При коллизии уничтожаются все данные сети. После коллизии станции пытаются передать данные повторно. Для того чтобы предотвратить одновременную передачу, был разработан специальный механизм прерываний, который предписывает каждой станции выждать случайный промежуток времени перед повторной передачей. PC, которые хотят передать данные, запускают генератор случайных чисел в диапазоне от 0 до 1. За единицу времени принимают интервал времени, в течение которого сигнал может пройти в 2 конца (от начала до конца и обратно). 52,2 миллисекунд. Та PC, у которой остаётся наименьший интервал времени, начинает передачу.

Если опять случается коллизия, то на этих PC запускается генератор случайных чисел в диапазоне от 0 до 3. Если снова коллизия, то от 0 до 7 и так до 10 раз в диапазоне от 0 до 1023. Если снова произошла коллизия, то ещё 6 попыток, но диапазон от 0 до 1023. В итоге 16 попыток. Если задача так и не решена, то она передаётся на вышестоящий уровень.

Для классического Ethernet скорость передачи данных равна 10 Мбит/сек.

Должны быть аппаратные средства для обнаружения коллизий, это манчестерский код для передачи данных. При манчестерском кодировании каждый интервал времени, в течение которого осуществляется передача бита информации, делится на 2 части. Бит 0 кодируется высоким напряжением в первой половине и низким во второй. Бит 1 кодируется низким напряжением в первой половине и высоким во второй. Такой код относят к 2-х фазному полярному самосинхронизирующемуся (т.к. при переходе от 0 к 1 фронт спадающий или нарастающий).

Рис 1.

На стороне приёмника существует проблема, когда считывать. Момент считывания определяется перепадом. Как только перепад появляется, надо считывать!

«-» код: При обычном кодировании битовый интервал в 2 раза короче, не надо разбивать на части. Скорость 10 Мбит/сек. Надо передавать со скоростью 20 Мбит/сек, т.к. интервал растянут, а получать данные будем со скоростью 10 Мбит/сек. Когда PC начинает передачу, она должна продолжать слушать сеть. Каждая PC имеет устройство сравнения. Она сравнивает то, что передавала, и то, что получила. Если не совпадает, то в сети коллизия.

Приведем основные спецификации Ethernet.

10 Base 5. Как и первая версия Ethernet, эта спецификация в качестве среды передачи предусматривает толстый коаксиальный кабель на 50 Ом с двумя оболочками. Из-за этого спецификацию называют «толстым Ethernet». Каждый коаксиальный кабель в сети образует отдельный сегмент. Протяженность сегмента не может превышать 500 м, а число узлов не должно превосходить 100. Отрезок кабеля между соседними узлами должен быть не менее 2,5 м. Это позволяет уменьшить вероятность отражения и появления стоячих волн. 10 Base 2. Эта спецификация предусматривает использование тонкого коаксиального кабеля, соответственно стандарт известен как «тонкий Ethernet». Протяженность сегмента ограничена 185 м, а число узлов – 30. 10 Base T. Эта разновидность Ethernet получила наибольшее распространение. Буква Т в названии означает, что средой передачи является неэкранированная витая пара (Unshielded Twisted Pair, UTP). Спецификация предусматривает использование концентратора для подключения пользователей по топологии «звезда». Применение дешевых кабелей UTP является одним из основных преимуществ 10 Base T по сравнению со спецификациями 10 Base 2 и 10 Base 5. Протяженность отрезка кабеля от концентратора до станции не должна превышать 100 м.

10 Base F. Эта спецификация использует в качестве среды передачи оптоволоконный кабель. Применение оптоволоконной технологии приводит к высокой стоимости комплектующих. Однако нечувствительность к электромагнитным помехам позволяет использовать спецификацию в особо ответственных случаях и для связи далеко расположенных друг от друга объектов.

Каждая из разновидностей Ethernet предусматривает те или иные ограничения на протяженность сегмента кабеля. Для создания более протяженной сети несколько кабелей могут соединяться с помощью повторителей. Повторитель представляет собой устройство физического уровня, которое принимает, усиливает и передает сигнал дальше. С точки зрения программного обеспечения последовательность кабельных сегментов, связанных повторителями, ничем не отличается от единого кабеля. Сеть может содержать несколько сегментов кабеля и несколько повторителей.

Теоретическая производительность Ethernet составляет 10 Мбит/с. Однако нужно учитывать, что из-за коллизий технология Ethernet никогда не может достичь своей максимальной производительности. При увеличении числа станций в сети временные задержки между посылками отдельных пакетов по сети возрастают, так как количество коллизий увеличивается. Поэтому реальная производительность Ethernet не превышает 70% от теоретической. В настоящее время Ethernet является одной из самых распространенных сетевых технологий. Причинами этого являются высокая надежность, гибкость, низкая стоимость и легкость внедрения. Ethernet нашла прекрасное применение в локальных сетях, где коммуникационное оборудование должно выдерживать большие нагрузки в случайные моменты времени, передавая огромный объем данных.

Общий объём трафика растёт пропорционально относительно числа PC, а объём полезного трафика растёт линейно относительно общего числа PC. Эффективность использования сети обратно пропорциональна числу PC.

Чтобы снизить нагрузку на сеть её разбивают на отдельные части с помощью мостов, коммутаторов и маршрутизаторов.

Данные, находящиеся в одном сегменте, не будут передаваться в другой. Сегментация позволяет сократить общий объём трафика, однако общая тенденция роста трафика остаётся.

Данные разбиваются на кадры. К данным пристраивается заголовок и окончание. Чтобы PC могли взаимодействовать в одном сегменте, они дожны поддерживать один формат данных.

Виды формата данных

Ethernet Type II, Ethernet 802.3, Ethernet 802.2, Ethernet SNAP

Поля имеют следующие назначения:

Преамбула: 7 байт, каждый из которых представляет чередование единиц и нулей 10101010. Преамбула позволяет установить битовую синхронизацию на приемной стороне.

Ограничитель начала кадра (SFD, start frame delimiter): 1 байт, последовательность 10101011, указывает, что далее последуют информационные поля кадра. Этот байт можно относить к преамбуле.

Адрес назначения (DA, destination address): 6 байт, указывает MAC-адрес станции (MAC-адреса станций), для которой (которых) предназначен этот кадр. Это может быть единственный физический адрес (unicast), групповой адрес (multicast) или широковещательный адрес (broadcast).

Адрес отправителя (SA, source address): 6 байт, указывает MAC-адрес станции, которая посылает кадр.

Поле длина/тип: 2 байта. Существуют два базовых формата кадра Ethernet (в английской терминологии raw formats - сырые форматы) - Ethernet_II и IEEE 802.3, причем различное назначение у них имеет именно рассматриваемое поле. Для кадра Ethernet_II в этом поле содержится информация о типе кадра. Ниже приведены значения в шестнадцатеричной системе этого поля для некоторых распространенных сетевых протоколов: 0x0800 для IP, 0x0806 для ARP, 0x809B для AppleTalk, 0x0600 для XNS, и 0x8137 для IPX/SPX. С указанием в этом поле конкретного значения (одного из перечисленных) кадр приобретает реальный формат, и в таком формате кадр уже может распространяться по сети.

Для кадра IEEE 802.3 в этом поле содержится выраженный в байтах размер следующего поля - поля данных (LLC Data). Если эта цифра приводит к общей длине кадра меньше 64 байт, то за полем LLC Data добавляется поле Pad. Для протокола более высокого уровня не возникает путаницы с определением типа кадра, так как для кадра IEEE 802.3 значение этого поля не может быть больше 1500 (0x05DC). По этому, в одной сети могут свободно сосуществовать оба формата кадров, более того один сетевой адаптер может взаимодействовать с обоими типами посредством стека протоколов. Данные (LLC Data): поле данных, которое обрабатывается подуровнем LLC. Сам по себе кадр IEEE 802.3 еще не окончательный. В зависимости от значений первых нескольких байт этого поля, могут быть три окончательных формата этого кадра IEEE 802.3:

Ethernet_802.3 (не стандартный, в настоящее время устаревающий формат, используемый Novell) - первые два байта LLC Data равны 0xFFFF;

Ethernet_SNAP (стандартный IEEE 802.2 SNAP формат, которому отдается наибольшее предпочтение в современных сетях, особенно для протокола TCP/IP) - первый байт LLC Data равен 0xAA; если кадр содержит нечётное число байтов случайной информации, это неудобно для работы большинства сетевых устройств. Дальнейшее усовершенствование – Ethernet SNAP. Он устраняет этот недостаток.

Ethernet_802.2 (стандартный IEEE 802.2 формат, взят на вооружение Novell в NetWare 4.0) - первый байт LLC Data не равен ни 0xFF (11111111), ни 0xAA (10101010).

Дополнительное поле (pad - наполнитель) - заполняется только в том случае, когда поле данных невелико, с целью удлинения длины кадра до минимального размера 64 байта -преамбула не учитывается. Ограничение снизу на минимальную длину кадра необходимо для правильного разрешения коллизий.

Контрольная последовательность кадра (FCS, frame check sequence): 4-х байтовое поле, в котором указывается контрольная сумма, вычисленная с использованием циклического избыточного кода по полям кадра за исключением преамбулы, SDF и FCS.

5 байт служат для увеличения числа поддерживаемых протоколов верхнего уровня. IPX может использовать любой из 4-х типов кадров.

Алгоритм определения типа кадра. Если за полем адрес отправителя следует значение >0X05DC, то это тип кадра Ethernet II, если нет, то следующий вопрос: за полем длина/тип следует заголовок пакета IPX (FFFF)? Если да, то тип кадра Ethernet802.3. Если нет, то вопрос: за полем длина/тип следует значение 0XAA? Если да, то это тип кадра Ethernet SNAP, если нет, то это тип кадра Ethernet 802.2.