Специфікації фізичного середовища ethernet

 

Історично перші мережі технології Ethernet були створені на коаксіальному кабелі діаметром 0,5 дюйма. Надалі були визначені і інші специфікації фізичного рівня для стандарту Ethernet, передачі даних, що дозволяють використовувати різні середовища. Метод доступу CSMA/CD і всі тимчасові параметри залишаються одними і тими ж для будь-якої специфікації фізичного середовища технології Ethernet 10 Мбіт/с.

Фізичні специфікації технології Ethernet на сьогоднішній день включають наступну середу передачі даних.

- 10Base-5 - коаксіальний кабель діаметром 0,5 дюйма, званий «товстим» коаксиалом. Має хвилевий опір 50 Ом. Максимальна довжина сегменту - 500 метрів (без повторителей).

- 10Base-2 - коаксіальний кабель діаметром 0,25 дюйма, званий «тонким» коаксиалом. Має хвилевий опір 50 Ом. Максимальна довжина сегменту - 185 метрів (без повторителей).

- 10Base-T - кабель на основі неекранованої витої пари (Unshielded Twisted Pair, UTP). Утворює зіркоподібну топологію на основі концентратора. Відстань між концентратором і кінцевим вузлом - не більше 100 м.

- 10Base-F - волоконно-оптичний кабель. Топологія аналогічна топології стандарту 10Base-T. Є декілька варіантів цієї специфікації - FOIRL (відстань до 1000 м), 10Base-FL (відстань до 2000 м), 10Base-FB (відстань до 2000 м).

Число 10 у вказаних вище назвах позначає бітову швидкість передачі даних цих стандартів - 10 Мбіт/с, а слово Base - метод передачі на одній базовій частоті 10 Мгц (на відміну від методів, що використовують декілька частот, що несуть, які називаються Broadband, - широкосмуговими). Останній символ в назві стандарту фізичного рівня позначає тип кабелю.

 

Стандарт 10Base-5

 

Стандарт 10Base-5 в основному відповідає експериментальній мережі Ethernet фірми Xerox і може вважатися класичним Ethernet. Він використовує як середовище передачі даних коаксіальний кабель з хвилевим опором 50 Ом, діаметром центрального мідного дроту 2,17 мм і зовнішнім діаметром близько 10 мм (“товстий” Ethernet). Такими характеристиками володіють кабелі мазкий RG-8 і RG-11.

Різні компоненти мережі, що складається з трьох сегментів, сполучених повторителями, виконаної на товстому коаксиале, показані на рис. 1.

Кабель використовується як моноканал для всіх станцій. Сегмент кабелю має максимальну довжину 500 м (без повторителей) і повинен мати на кінцях терминаторы, що погоджують, опором 50 Ом, що поглинають сигнали, що розповсюджуються по кабелю, і що перешкоджають виникненню відбитих сигналів.

 

 

Рисунок1 -  Компоненти фізичного рівня мережі стандарту 10Base-5, що складається з 3 сегментів

 

 

Станція повинна підключатися до кабелю за допомогою приймача - трансивера (transmitter+receiver = transceiver). Трансивер встановлюється безпосередньо на кабелі і харчується від мережевого адаптера комп'ютера. Трансивер може під'єднуватися до кабелю як методом проколювання, що забезпечує безпосередній фізичний контакт, так і безконтактним методом.

Трансивер з'єднується з мережевим адаптером інтерфейсним кабелем AUI (Attachment Unit Interface) завдовжки до 50 м, що складається з 4 витих пар( адаптер повинен мати роз'єм AUI). Допускається підключення до одного сегменту не більше 100 трансиверів, причому відстань між підключеннями трансиверів не повинна бути менше 2,5 м. На кабелі є розмітка через кожних 2,5 м, яка позначає точки підключення трансиверів. При під'єднуванні комп'ютерів відповідно до розмітки вплив стоячих хвиль в кабелі на мережеві адаптери зводиться до мінімуму.

Трансивер - це частина мережевого адаптера, яка виконує наступні функції:

- прийом і передача даних з кабелю на кабель;

- визначення колізій на кабелі;

- електрична розв'язка між кабелем і рештою частини адаптера;

- захист кабелю від некоректної роботи адаптера.

Останню функцію іноді називають «контролем балакучості», що є буквальним перекладом відповідного англійського терміну (jabber control). При виникненні несправностей в адаптері може виникнути ситуація, коли на кабель безперервно видаватиметься послідовність випадкових сигналів. Оскільки кабель - це загальне середовище для всіх станцій, то робота мережі буде заблокована одним несправним адаптером. Щоб цього не трапилося, на виході передавача ставиться схема, яка перевіряє час передачі кадру. Якщо максимально можливий час передачі пакету перевищується (з деяким запасом), то ця схема просто від'єднує вихід передавача від кабелю. Максимальний час передачі кадру (разом з преамбулою) рівний 1221 мкс, а час jabber-контроля встановлюється рівним 4000 мкс (4 мс).

Спрощена структурна схема трансивера показана на рис. 2. Передавач і приймач приєднуються до однієї точки кабелю за допомогою спеціальної схеми, що наприклад трансформаторної, такої, що дозволяє організувати передачу і прийом сигналів з кабелю.

Детектор колізій визначає наявність колізії в коаксіальному кабелі по підвищеному рівню постійної складової сигналів. Якщо постійна складова перевищує певний поріг (близько 1,5 В), значить, на кабель працює більш за один передавач. Розв'язуючі елементи (РЕ) забезпечують гальванічну розв'язку трансивера від решти частини мережевого адаптера і тим самим захищають адаптер і комп'ютер від значних перепадів напруги, що виникають на кабелі при його пошкодженні.

 

Рисунок - 2. Структурна схема трансивера

 

об'єднання декількох сегментів кабелю

 

Стандарт 10Base-5 визначає можливість використання в мережі спеціального пристрою - повторителя (repeater). Повторітель служить для об'єднання в одну мережу декількох сегментів кабелю і збільшення тим самим загальної довжини мережі. Повторітель приймає сигнали з одного сегменту кабелю і побитно синхронно повторює їх в іншому сегменті, покращуючи форму і потужність імпульсів, а також синхронізуючи імпульси. Повторітель складається з двох (або декілька) трансиверів, які приєднуються до сегментів кабелю, а також блоку повторення зі своїм тактовим генератором. Для кращої синхронізації передаваних біт повторитель затримує передачу декількох перших біт преамбули кадру, за рахунок чого збільшується затримка передачі кадру з сегменту на сегмент, а також декілька зменшується міжкадровий інтервал IPG.

Стандарт вирішує використання в мережі не більше 4 повторителей і, відповідно, не більше 5 сегментів кабелю. При максимальній довжині сегменту кабелю в 500 м це дає максимальну довжину мережі l0Base-5 в 2500 м. Тільки 3 сегменти з 5 можуть бути навантаженими, тобто такими, до яких підключаються кінцеві вузли. Між навантаженими сегментами повинні бути ненавантажені сегменти.

Правило застосування повторителей в мережі Ethernet l0Base-5 носить назва правила 5-4-З. 5 сегментів, 4 повторителя, 3 навантажених сегменту. Обмежене число повторителей пояснюється додатковими затримками розповсюдження сигналу, які вони вносять. Застосування повторителей збільшує час подвійного розповсюдження сигналу, яке для надійного розпізнавання колізій не повинне перевищувати час передачі кадру мінімальної довжини, тобто кадру в 72 байт або 576 битий.

Кожен повторитель підключається до сегменту одним своїм трансивером, тому до навантажених сегментів можна підключити не більше 99 вузлів. Максимальне число кінцевих вузлів в мережі l0Base-5 таким чином складає 99х3 = 297 вузлів.

 

До достоїнств стандарту l0Base-5 відносяться:

- хороша захищеність кабелю від зовнішніх дій;

- порівняльна велика відстань між вузлами;

- можливість простого переміщення робочої станції в межах довжини кабелю AUI.

 

Недоліками l0Base-5 є:

- висока вартість кабелю;

- складність його прокладки із-за великої жорсткості;

- потреба в спеціальному інструменті для закладення кабелю;

- останов роботи всієї мережі при пошкодженні кабелю або поганому з'єднанні;

- необхідність заздалегідь передбачити підведення кабелю до всіх можливих місць установки комп'ютерів.

 

Стандарт 10Base-2

 

Стандарт l0Base-2 використовує як передавальне середовище коаксіальний кабель з діаметром центрального мідного дроту 0,89 мм і зовнішнім діаметром близько 5 мм (“тонкий” Ethernet). Кабель має хвилевий опір 50 Ом. Такими характеристиками володіють кабелі мазкий RG-58 /U, RG-58 A/U, RG-58 C/U.

Максимальна довжина сегменту без повторителей складає 185 м, сегмент повинен мати на кінцях терминаторы, що погоджують, 50 Ом. Тонкий коаксіальний кабель дешевше товстого, із-за чого мережі 10Base-2 іноді називають мережами Cheaper-net (від cheaper - дешевший). Але за дешевизну кабелю доводиться розплачуватися якістю - “тонкий” коаксиал володіє гіршою перешкодозахисною, гіршою механічною міцністю і вужчою смугою пропускання.

Станції підключаються до кабелю за допомогою високочастотного Т-коннектора BNC, який є трійником, одне відведення якого з'єднується з мережевим адаптером, а два інших - з двома кінцями розриву кабелю. Максимальна кількість станцій, що підключаються до одного сегменту, - 30. Мінімальна відстань між станціями - 1 м. Кабель “тонкого” коаксиала має розмітку для підключення вузлів з кроком в 1 м.

Стандарт 10Base-2 також передбачає використання повторителей, застосування яких також повинне відповідати “правилу 5-4-3”. В цьому випадку мережа матиме максимальну довжину в 5х185 = 925 м. Очевидні, що це обмеження є сильнішим, ніж загальне обмеження в 2500 метрів.

Стандарт l0Base-2 дуже близький до стандарту l0Base-5. Але трансивери в нім об'єднані з мережевими адаптерами за рахунок того, що гнучкіший тонкий коаксіальний кабель може бути підведений безпосередньо до вихідного роз'єму плати мережевого адаптера, встановленої в шасі комп'ютера. Кабель в даному випадку “висить” на мережевому адаптері, що утрудняє фізичне переміщення комп'ютерів.

Типовий склад мережі стандарту 10Base-2, що складається з одного сегменту кабелю, показаний на рис. 3.

 

Рисунок - 3. Мережа стандарту 10Base-2

 

Реалізація цього стандарту на практиці приводить до найбільш простого рішення для кабельної мережі, оскільки для з'єднання комп'ютерів потрібні тільки мережеві адаптери, Т-коннекторы і терминаторы 50 Ом. Проте цей вид кабельних з'єднань найсильніше схильний до аварій і збоїв: кабель сприйнятливіший до перешкод, чим “товстий” коаксиал, в моноканалі є велика кількість механічних з'єднань (кожен Т-коннектор дає три механічні з'єднання, два з яких мають життєво важливе значення для всієї мережі), користувачі мають доступ до роз'ємів і можуть порушити цілісність моноканалу. Крім того, естетика і эргономичность цього рішення залишають бажати кращого, оскільки від кожної станції через Т-коннектор відходять два досить помітних дроти, які під столом часто утворюють моток кабелю, - запас, необхідний на випадок навіть невеликого переміщення робочого місця.

Загальним недоліком стандартів 10Base-5 і 10Base-2 є відсутність оперативної інформації про стан моноканалу. Пошкодження кабелю виявляється відразу ж (мережа перестає працювати), але для пошуку відрізання кабелю, що відмовило, необхідний спеціальний прилад - кабельний тестер.

 

Стандарт 10Base-T

 

Стандарт прийнятий в 1991 році, як доповнення до існуючого набору стандартів Ethernet, і має позначення 802.3i.

Мережі 10Base-T використовують як середовище дві неекрановані виті пари (Unshielded Twisted Pair, UTP).

Кінцеві вузли з'єднуються по топологий «крапка-крапка» із спеціальним пристроєм - багатопортовим повторителем за допомогою двох витих пар. Одна витаючи пара потрібна для передачі даних від станції до повторителю (вихід Тх мережевого адаптера), а інша - для передачі даних від повторителя до станції (вхід Rx мережевого адаптера). На рис. 4 показаний приклад трьохпортового повторителя. Повторітель приймає сигнали від одного з кінцевих вузлів і синхронно передає їх на всіх своїх решта портів, крім того, з якого поступили сигнали.

 

Рисунок 4 -  Мережа стандарту 10Base-T: Tx – передавач; Rx - приймач

 

Багатопортові повторители в даному випадку зазвичай називаються концентраторами (англомовні терміни - hub або concentrator). Концентратор здійснює функції повторителя сигналів на всіх відрізках витих пар, підключених до його портів, так що утворюється єдине середовище передачі даних - логічний моноканал (логічна загальна шина). Повторітель виявляє колізію в сегменті у разі одночасної передачі сигналів по декількох своїм Rx-входам і посилає jam-последовательность на всі свої Тх-выходы. Стандарт визначає бітову швидкість передачі даних 10 Мбіт/с і максимальна відстань відрізання витої пари між двома безпосередньо зв'язаними вузлами (станціями і концентраторами) не більше 100 м за наявності витої пари якості не нижче за категорію 3. Ця відстань визначається смугою пропускання витої пари - на довжині 100 м вона дозволяє передавати дані із швидкістю 10 Мбіт/с при використанні манчестерської коди.

Концентратори 10Base-T можна сполучати один з одним за допомогою тих же портів, які призначені для підключення кінцевих вузлів. При цьому потрібно поклопотатися про те, щоб передавач і приймач одного порту були сполучені відповідно з приймачем і передавачем іншого порту. .

 

Рисунок  5 -   Ієрархічне з'єднання концентраторів Ethernet

 

Для забезпечення синхронізації станцій при реалізації процедур доступу CSMA/CD і надійного розпізнавання станціями колізій в стандарті визначено максимально число концентраторів між будь-якими двома станціями мережі, а саме 4. Це правило носить назва «Правила 4-х хабов» і воно замінює «правило 5-4-3», вживане до коаксіальних мереж. При створенні мережі 10Base-T з великим числом станцій концентратори можна сполучати один з одним ієрархічним способом, утворюючи деревовидну структуру (рис. 5).

Увага. Петлевидне з'єднання концентраторів в стандарті 10Base-T заборонене, оскільки воно приводить до некоректної роботи мережі. Ця вимога означає, що в мережі 10Base-T не дозволяється створювати паралельні канали зв'язку між критично важливими концентраторами для резервування зв'язків на випадок відмови порту, концентратора або кабелю. Резервування зв'язків можливе тільки за рахунок перекладу одного з паралельних зв'язків в неактивний (заблоковане) стан.

Загальна кількість станцій в мережі 10Base-T не повинна перевищувати загальної межі в 1024, і для даного типу фізичного рівня ця кількість дійсно можна досягти. Для цього досить створити дворівневу ієрархію концентраторів, розташувавши на нижньому рівні достатню кількість концентраторів із загальною кількістю портів 1024. Кінцеві вузли потрібно підключити до портів концентраторів нижнього рівня. Правило 4-х хабов при цьому виконується - між будь-якими кінцевими вузлами буде рівно 3 концентратори.

Максимальна довжина мережі в 2500 м тут розуміється як максимальна відстань між будь-якими двома кінцевими вузлами мережі (часто застосовується також термін «максимальний діаметр мережі»). Очевидно, що якщо між будь-якими двома вузлами мережі не повинне бути більше 4-х повторителей, то максимальний діаметр мережі 10Base-T складає 5х100 = 500 м.

Мережі, побудовані на основі стандарту 10Base-T, володіють в порівнянні з коаксіальними варіантами Ethernet багатьма перевагами. Ці переваги пов'язані з розділенням загального фізичного кабелю на окремі кабельні відрізки, підключені до центрального комунікаційного пристрою. І хоча логічно ці відрізки як і раніше утворюють загальне середовище, що розділяється, їх фізичне розділення дозволяє контролювати їх стан і відключати у разі обриву, короткого замикання або несправності мережевого адаптера на індивідуальній основі. Ця обставина істотно полегшує експлуатацію великих мереж Ethernet, оскільки концентратор зазвичай автоматично виконує такі функції, повідомляючи при цьому адміністратора мережі про виниклу проблему.

У стандарті 10Base-T визначена процедура тестування фізичної працездатності двох відрізань витої пари, що сполучають трансивер кінцевого вузла і порт повторителя. Ця процедура називається тестом зв'язності (link test), і вона заснована на передачі кожні 16 мс спеціальних імпульсів J і До манчестерської коди між передавачем і приймачем кожної витої пари. Якщо тест не проходить, то порт блокується і відключає проблемний вузол від мережі. Оскільки коди J і До є забороненими при передачі кадрів, то тестові послідовності не впливають на роботу алгоритму доступу до середовища.

Поява між кінцевими вузлами активного пристрою, який може контролювати роботу вузлів і ізолювати від мережі що некоректно працюють, є головною перевагою технології 10Base-T в порівнянні з складними в експлуатації коаксіальними мережами. Завдяки концентраторам мережа Ethernet придбала деякі риси відмовостійкої системи.

 

Оптоволоконний Ethernet

 

Як середовище передачі даних 10 мегабитный Ethernet використовує оптичне волокно. Оптоволоконні стандарти як основний тип кабелю рекомендують достатньо дешеве багатомодове оптичне волокно, що володіє смугою пропускання 500-800 Мгц при довжині кабелю 1 км. Допустимо і дорожче одномодове оптичне волокно із смугою пропускання в декілька гігагерців, але при цьому потрібно застосовувати спеціальний тип трансивера.

Функціонально мережа Ethernet на оптичному кабелі складається з тих же елементів, що і мережа стандарту 10Base-T - мережевих адаптерів, багатопортового повторителя і відрізань кабелю, що сполучають адаптер з портом повторителя. Як і у разі витої пари, для з'єднання адаптера з повторителем використовуються два оптоволокна - одне сполучає вихід Тх адаптера з входом Rx повторителя, а інше - вхід Rx адаптера з виходом Тх повторителя.

Стандартом FOIRL (Fiber Optic Inter-Repeater Link) є перший стандарт комітету 802.3 для використання оптоволокна в мережах Ethernet. Він гарантує довжину оптоволоконного зв'язку між повторителями до 1 км. при загальній довжині мережі не більше 2500 м. Максимальне число повторителей між будь-якими вузлами мережі - 4. Максимального діаметру в 2500 м тут досягти можна, хоча максимальні відрізки кабелю між всіма 4 повторителями, а також між повторителями і кінцевими вузлами недопустимі - інакше вийде мережа завдовжки 5000 м.

Стандартом 10Base-FL є незначне поліпшення стандарту FOIRL. Збільшена потужність передавачів, тому максимальна відстань між вузлом і концентратором збільшилася до 2000 м. Максимальне число повторителей між вузлами залишилося рівним 4, а максимальна довжина мережі - 2500 м.

Стандарт 10Base-FB призначений тільки для з'єднання повторителей. Кінцеві вузли не можуть використовувати цей стандарт для приєднання до портів концентратора. Між вузлами мережі можна встановити до 5 повторителей 10Base-FB при максимальній довжині одного сегменту 2000 м і максимальній довжині мережі 2740 м.

Повторітелі, сполучені за стандартом 10Base-FB, за відсутності кадрів для передачі постійно обмінюються спеціальними послідовностями сигналів, що відрізняються від сигналів кадрів даних, для підтримки синхронізації. Тому вони вносять менші затримки при передачі даних з одного сегменту в іншій, і це є головною причиною, по якій кількість повторителей вдалося збільшити до 5. Як спеціальні сигнали використовуються манчестерські коди J і До в наступній послідовності: J-J-K-K-J-J-... Ця послідовність породжує імпульси частоти 2,5 Мгц, які і підтримують синхронізацію приймача одного концентратора з передавачем іншого. Тому стандарт 10Base-FB має також назву синхронний Ethernet.

Як і в стандарті 10Base-T, оптоволоконні стандарти Ethernet дозволяють сполучати концентратори тільки в деревовидні ієрархічні структури. Будь-які петлі між портами концентраторів не допускаються.

 

Домен колізій

 

У технології Ethernet, незалежно від вживаного стандарту фізичного рівня, існує поняття домена колізій.

Домен колізій (collision domain) - це частина мережі Ethernet, всі вузли якої розпізнають колізію незалежно від того, в якій частині цієї мережі колізія виникла. Cеть Ethernet, побудована на повторителях, завжди утворює один домен колізій. Домен колізій відповідає одному середовищу, що розділяється. Мости, комутатори і маршрутизатори ділять мережу Ethernet на декілька доменів колізій.

Приведена на рис. 5 мережею є один домен колізій. Якщо, наприклад, зіткнення кадрів відбулося в концентраторі 4, то відповідно до логіки роботи концентраторів 10Base-T сигнал колізії розповсюдиться по всіх портах всіх концентраторів.

Якщо ж замість концентратора 3 поставити в мережу міст, то його порт C, пов'язаний з концентратором 4, сприйме сигнал колізії, але не передасть його на своїх решта портів, оскільки це не входить в його обов'язки. Міст просто відпрацює ситуацію колізії засобами порту З, який підключений до загального середовища, де ця колізія виникла. Якщо колізія виникла через те, що міст намагався передати через порт З кадр в концентратор 4, то, зафіксувавши сигнал колізії, порт З припинить передачу кадру і спробує передати його повторно через випадковий інтервал часу. Якщо порт З приймав у момент виникнення колізії кадр, то він просто відкине отриманий початок кадру і чекатиме, коли вузол, що передавав кадр через концентратор 4, не зробить повторну спробу передачі. Після успішного ухвалення даного кадру в свій буфер міст передасть його на інший порт відповідно до таблиці просування, наприклад на порт А. Все події, пов'язані з обробкою колізій портом З, для решти сегментів мережі, які підключені до інших портів моста, залишаться просто невідомими.

Вузли, створюючі один домен колізій, працюють синхронно, як єдина розподілена електронна схема.

 

Загальні характеристики стандартів Ethernet 10 Мбіт/с

 

У табл. 1 і 2 зведені основні обмеження і характеристики стандартів Ethernet.

 

Таблиця 1. Загальні обмеження для всіх стандартів Ethernet

 

Номінальна пропускна спроможність	10 Мбіт/с
Максимальне число станцій в мережі	1024
Максимальна відстань між вузлами в мережі	2500 м (у 10Base-FB 2750 м)
Максимальне число коаксіальних сегментів в мережі	5

 

Таблиця 2. Параметри специфікацій фізичного рівня для стандартів Ethernet

 

	10Base-5	10Base-2	10Base-T	10Base-F
Кабель	Товстий коаксіальний кабель RG-8 або RG-11	Тонкий коаксіальний кабель RG-58	Неекранована витаючи пара категорій 3, 4, 5	Багатомодовий волоконно-оптичний кабель
Максимальна довга сегменту, м	500	185	100	2000
Максимальна відстань між вузлами мережі (при використанні повторителей), м	2500	925	500	2500 (2740 для 10Base-FB)
Максимальне число станцій в сегменті	100	30	1024	1024
Максимальне число повторителей між будь-якими станціями мережі	4	4	4	4 (5 для 10Base-FB)