10.2. Технология локальных сетей Ethernet
Технология локальных сетей Ethernet (первоначальное происхождение названия – от словосочетания «эфирная сеть») на сегодняшний день является самой популярной и распространенной технологией построения локальных сетей во всем мире. Говоря об ЛВС вообще, чаще всего подразумевают ЛВС именно стандарта Ethernet, причем любого из вариантов этой технологии. Первый, исходный вариант протокола Ethernet, был разработан компаниями DEC, Intel и Xerox и известен как DIX Ethernet. Стандартом DIX Ethernet, опубликованным в 1980 году, определяются сети на коаксиальном кабеле со скоростью передачи данных 10 Мбит/с и топологией «шина». Этот стандарт называют также «толстым» Ethernet (ThickNet) или 10Base-5. В стандарте DIX Ethernet II, опубликованном в 1982 году, появилась возможность использования в качестве сетевой среды «тонкого» коаксиального кабеля. Этот стандарт называют «тонким» Ethernet (ThinNet) или 10Base-2.
Примерно в то же время IEEE принял решение о создании международного стандарта для сетей этого типа, который, в отличие от Ethernet DIX, не был бы собственностью частной компании. В 1985 году группа IEEE 802.3 опубликовала стандарт, в котором помимо спецификаций для двух видов коаксиальных кабелей, которые применялись в DIX Ethernet, была включена спецификация 10Base-Т для кабеля типа «неэкранированная витая пара». После этого рабочая группа IEEE 802.3 опубликовала документы IEEE 802.3u со стандартом Fast Ethernet для сетей со скоростью 100 Мбит/с, а также IEEE 802.3z со стандартом Gigabit Ethernet для сетей со скоростью 1000 Мбит/с (1 Гбит/с) и IEEE 802.3ae со стандартом 10Gigabit Ethernet для сетей со скоростью 10 Гбит/с.
Все виды стандартов Ethernet используют один и тот же метод доступа к среде передачи данных, а именно протокол CSMA/CD, рассмотренный выше в разделе 8.
В соответствии с первой частью этого протокола – CSMA – рабочая станция вначале «прослушивает» сеть, чтобы определить, не передается ли в данный момент какое-либо другое сообщение. Если станцией прослушивается сигнал, значит в данный момент сеть занята другим сообщением, поэтому рабочая станция переходит в режим ожидания и находится в нем до тех пор, пока сеть не освободится. Когда в сети наступает молчание, станция начинает свою передачу. Вторая часть указанного протокола – CD – служит для разрешения ситуаций, когда две или более рабочие станции пытаются передавать сообщения одновременно, то есть для обнаружения и разрешения коллизий. Протокол CSMA/CD требует, чтобы станция прослушала сеть также и после передачи сообщения. Если обнаруживается конфликт, станция повторяет передачу сообщения через случайным образом 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. Коллизия – это нормальная ситуация в работе сетей Ethernet. Для возникновения коллизии не обязательно, чтобы несколько станций начали передачу абсолютно одновременно – такая ситуация маловероятна. Гораздо вероятней возникновение коллизии из-за того, что одна станция начинает передачу раньше другой, но до этой станции сигналы первой станции просто не успевают дойти ко времени, когда вторая станция решает начать передачу своего кадра. То есть коллизии – это следствие распределенного характера сети.
Чтобы корректно обработать коллизию, все станции одновременно наблюдают за возникающими на кабеле сигналами. Если передаваемые и наблюдаемые сигналы отличаются, то как раз и фиксируется обнаружение коллизии. Для увеличения вероятности скорейшего обнаружения коллизии та станция, которая обнаружила коллизию, прерывает передачу своего кадра (в произвольном месте, возможно, и не на границе байта) и усиливает ситуацию коллизии посылкой в сеть специальной последовательности из 32 бит, называемой jam-последовательностью. После этого передающая станция, обнаружившая коллизию, обязана прекратить передачу и сделать паузу в течение некоторого случайного интервала времени. Затем она может снова предпринять попытку захвата среды и передачи кадра. Величина случайной паузу определяется как произведение некоторого целого числа, выбранного с равной вероятностью из диапазона [0…2 в степени N] (где N – номер повторной попытки передачи данного кадра), и интервала отсрочки, равного 512 битовым интервалам. В технологии Ethernet принято все интервалы измерять в битовых интервалах, которые соответствуют интервалу времени между появлением двух последовательных бит данных на кабеле (например, при скорости 10 Мбит/с величина битового интервала равна 0,1 мкс или 100 нс).
После 10-й попытки интервал, из которого выбирается пауза, не увеличивается. Таким образом, случайная пауза может принимать значения от 0 до 52,4 мс. Если 16 последовательных попыток передачи кадра вызывают коллизию, то передатчик должен прекратить попытки и отбросить этот кадр.
Из описания метода доступа видно, что он носит вероятностный характер, и вероятность успешного получения в свое распоряжение общей среды зависит от загруженности сети, то есть от интенсивности возникновения у станций потребности в передаче кадров. При разработке этого метода в конце 1970-х годов предполагалось, что скорость передачи данных в 10 Мбит/с достаточно высока по сравнению с потребностями компьютеров во взаимном обмене данными, поэтому загрузка сети не будет интенсивной. Однако появление приложений, работающих в реальном масштабе времени с мультимедийной информацией, привело к существенной загрузке сегментов Ethernet. Соответственно коллизии стали возникать относительно часто. При значительной интенсивности коллизий полезная пропускная способность сети Ethernet резко падает, так как сеть почти постоянно занята повторными попытками передачи кадров. Для уменьшения интенсивности возникновения коллизий нужно либо уменьшить трафик, сократив, например, количество узлов в сегменте, либо повысить скорость протокола. Следует отметить, что метод доступа CSMA/CD вообще не гарантирует станции, что она когда-либо сможет получить доступ к среде. При небольшой нагрузке сети вероятность такого события невелика, но при интенсивном использовании сети такое событие становится очень вероятным. Этот недостаток метода случайного доступа является следствием его чрезвычайной простоты, которая и сделала реализацию технологии Ethernet самой недорогой и, как следствие, наиболее распространенной.
Четкое 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 ею передан верно, то этот кадр будет утерян. Из-за наложения сигналов при коллизии информация кадра исказится, и он будет отбракован принимающей станцией. Наиболее вероятно, что искаженная информация будет передана повторно. Но повторная передача сообщения произойдет через более длительный интервал времени, чем первоначальный. Поэтому, если коллизии не будут надежно распознаваться станциями сети Ethernet, это приведет к заметному снижению полезной пропускной способности данной сети.
Для надежного распознавания коллизий должно выполняться условие, при котором время распространения сигнала коллизии до самого дальнего узла сети меньше, чем время передачи кадра минимальной длины. Так как в худшем случае сигнал должен пройти дважды между наиболее удаленными друг от друга станциями сети (в одну сторону проходит неискаженный сигнал, а на обратном пути распространяется уже искаженный коллизией сигнал), то это время называется временем двойного оборота (Path Delay Value, PDV). При выполнении этого условия передающая станция должна успевать обнаружить коллизию, которую вызвал переданный ее кадр, еще до того, как она закончит передачу этого кадра. Очевидно, что выполнение этого условия зависит, с одной стороны, от длины минимального кадра и пропускной способности сети, а с другой стороны, от длины кабельной системы сети и скорости распространении сигнала в кабеле (для разных типов кабеля эта скорость несколько отличается).
Все параметры протокола Ethernet подобраны таким образом, чтобы при нормальной работе узлов сети коллизии всегда четко распознавались. При выборе параметров учитывается соотношение, связывающее между собой минимальную длину кадра и максимальное расстояние между станциями в сегменте сети. В стандарте Ethernet принято, что минимальная длина поля данных кадра составляет 46 байт (что вместе со служебными полями дает минимальную длину кадра 64 байт, а вместе с преамбулой – 72 байт или 576 бит). Из этих величин может быть определено ограничение на расстояние между станциями. В результате учета множества факторов разработчиками технологии Ethernet было тщательно подобрано соотношение между минимальной длиной кадра и максимально возможным расстоянием между станциями сети, которое обеспечивает надежное распознавание коллизий. Это расстояние называют также максимальным диаметром сети. С увеличением скорости передачи кадров, что имеет место в новых стандартах, базирующихся на том же методе доступа CSMA/CD (например, Fast Ethernet), максимальное расстояние между станциями сети уменьшается пропорционально увеличению скорости передачи.
Исторически первые сети технологии Ethernet создавались на коаксиальном кабеле диаметром 0,5 дюйма. В дальнейшем были определены и другие спецификации физического уровня для стандарта Ethernet, позволяющие использовать различные среды передачи данных. Метод доступа CSMA/CD и все временные параметры остаются одними и теми же для любой спецификации физической среды технологии Ethernet со скоростью передачи 10 Мбит/с. Физические спецификации технологии Ethernet включают (кроме упомянутых выше морально устаревших спецификаций 10Base-5 и 10Base-2 на коаксиальном кабеле) спецификации 10Base-Т на неэкранированной витой паре UTP (образует звездообразную топологию на основе концентратора, расстояние между концентратором и конечным узлом – не более 100 м) и 10Base-F на волоконно-оптическом кабеле (топология аналогична 10Base-Т, для разных вариантов этой спецификации расстояние между концентратором и конечным узлом может составлять от 1000 м до 2000 м). Число 10 в указанных выше названиях обозначает 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 и называемых широкополосными – broadband). Последний символ в названии спецификации обозначает либо допустимую длину сегмента («5» – 500 метров, «2» – 200 метров) или тип линии связи («Т» – витая пара, «F» – волоконно-оптический кабель.
Cеть Ethernet на базе витой пары развивается с 1990 года и на сегодняшний день наиболее распространена. В такой сети Ethernet передача сигналов осуществляется по двум витым парам проводов, каждая из которых передает только в одну сторону (одна пара – передающая, другая – принимающая). Каждый из абонентов сети присоединяется кабелем, содержащим двойные витые пары, к концентратору, использование которого в данном случае обязательно. Концентратор производит смешение сигналов от абонентов для обеспечения метода доступа CSMA/CD, то есть в данном случае используется конфигурация «пассивная звезда» (рис. 10.1), которая равноценна «шине».
Длина соединительного кабеля между адаптером и концентратором не должна превышать 100 м при наличии витой пары не ниже категории 3. Это расстояние определяется полосой пропускания витой пары – на длине 100 м она позволяет передавать данные со скоростью 10 Мбит/с при использовании «манчестерского» кода. Кабели присоединяются 8-контактными разъемами типа RJ-45, в которых используются только четыре контакта. Если надо объединить в сеть всего два компьютера, можно обойтись без концентратора, применив специальный «перекрестный» кабель (crossover саblе), который соединяет передающие контакты одного разъема RJ-45 с приемными контактами другого разъема RJ-45 и наоборот (в обычном «прямом» кабеле соединяются между собой одинаковые контакты обоих разъемов).
Рис. 10.1. Подключение абонентов сети с помощью витой пары:
T - передатчик, R - приемник
Адаптеры и концентраторы, рассчитанные на работу с витой парой, имеют встроенный контроль правильности соединения сети. При отсутствии передачи информации они непрерывно передают специальный тестовый сигнал, по наличию которого определяется целостность кабеля. Для визуального контроля правильности соединений предусмотрены специальные светодиоды «link» («соединение»), которые горят при правильном соединении аппаратуры. Концентраторы 10Base-T можно соединять друг с другом с помощью тех же портов, которые предназначены для подключения конечных узлов. При этом нужно позаботиться о том, чтобы передатчик и приемник одного порта были соединены соответственно с приемником и передатчиком другого порта. Для обеспечения синхронизации станций при реализации процедур доступа CSMA/CD и надежного распознавания станциями коллизий в стандарте определено максимальное число концентраторов между двумя станциями сети, а именно 4. Это правило носит название «правила 4-х хабов». При создании сети 10Base-T с большим числом станций концентраторы можно соединять друг с другом иерархическим способом, образуя древовидную структуру (рис. 10.2). Петлевидное соединение концентраторов 10Base-T запрещено, так как оно приводит к некорректной работе сети. Это требование означает, что в сети 10Base-T не разрешается создавать параллельные каналы связи между критически важными концентраторами для резервирования связей на случай отказа порта, концентратора или кабеля. Резервирование связей возможно только за счет перевода одной из параллельных связей в неактивное (заблокированное) состояние. Общее количество станций в сети 10Base-T не должно превышать 1024.
Сравнительно недавно в Ethernet начали широко применять волоконно-оптический кабель. Это позволило увеличить допустимую длину сегмента и существенно повысить помехоустойчивость передачи. Немаловажна также и полная гальваническая развязка компьютеров сети, которая достигается в этом случае без всякой дополнительной аппаратуры, а просто в силу физических свойств среды передачи. Передача информации идет по двум оптоволоконным кабелям, передающим сигналы в разные стороны. Иногда используются двухпроводные оптоволоконные кабели, содержащие два кабеля в общей оболочке.
В технологии Ethernet, независимо от применяемого стандарта физического уровня, существует понятие домена коллизий. Это часть сети Ethernet, все узлы которой распознают коллизию независимо от того, в какой части этой сети коллизия возникла. Сеть Ethernet, построенная на повторителях, всегда образует один домен коллизий. Домен коллизий соответствует одной разделяемой среде. Мосты, коммутаторы и маршрутизаторы делят сеть Ethernet на несколько доменов коллизий. Приведенная на рис.10.2 схема сети представляет собой один домен коллизий. Если, например, столкновение кадров произошло в концентраторе 4, то в соответствии с логикой работы концентраторов 10Base-T сигнал коллизии распространится по всем портам всех концентраторов. Узлы, образующие один домен коллизий, работают синхронно, как единая распределенная электронная схема.
Рис. 10.2. Иерархическое соединение концентраторов Ethernet