5.4. Стандарты технологии Ethernet

Ethernet - это сетевой стандарт, основанный на технологиях сети Ethernet Network, которую фирма Xerox разработала и реализовала в 1975 году. В 1980 году фирмы DEC, Intel и Xerox совместно разработали и опубликовали стандарт Ethernet для сети, построенной на основе коаксиального кабеля, который был положен в основу стандарта IEEE 802.3.

Стандарт Ethernet определяет два режима передачи данных: полудуплексный и полнодуплексный. Полнодуплексный режим может быть реализован на 4-проводной витой паре, где одна пара проводов используется для передачи, другая - для приема, и на двухжильном оптоволокне, где один световод используется для передачи, а другой - для приема.

Технология Ethernet специфицирует три скорости передачи информации: 10 Мбит/с (Ethernet), 100 Мбит/с (Fast Ethernet), 1000 Мбит/с (Gigabit Ethernet).

В качестве проводной физической среды в сети Ethernet могут быть использованы коаксиальный кабель, витая пара, оптоволокно. В зависимости от этого существуют следующие спецификации:

1. Для скорости 10 Мбит/с:

• 10BaseT. Используется кабель на основе неэкранированной витой пары UTP с топологией типа «звезда» и максимально допустимым расстоянием между центральным и оконечными узлами - не более 100 м;

• 10BaseF. Используется оптоволоконный кабель с топологией типа «звезда» и существует несколько вариантов спецификации - FOIRL, 10Base-FL, 10Base-FB;

• 10Base2. Используется «тонкий» коаксиальный кабель диаметром 0,25 дюйма с волновым сопротивлением - 50 Ом шинной топологией и максимально допустимой длиной сетевого сегмента - 185 метров без повторителей;

• 10Base5. Используется «толстый» коаксиальный кабель диаметром 0,5 дюйма с волновым сопротивлением - 50 Ом шинной топологией и максимально допустимой длиной сетевого сегмента - 500 метров без повторителей;

2. Для скорости 100 Мбит/с:

• 100Base-TX. Применяется двухпарный кабель на неэкранированной витой паре UTP категории 5, или экранированной витой паре STP типа 1;

• 100Base-T4. Применяется четырехпарный кабель на неэкранированной витой паре UTP категории 3 или 5;

• 100Base-FX. Применяется многомодовый оптоволоконный кабель;

3. Для скорости 1000 Мбит/с:

• 1000Base-LX. Используется одномодовый оптоволоконный кабель при длине сегмента до 5000 м и многомодовый оптоволоконный кабель при длине сегмента до 550 м и длинноволновые лазеры для кампусных магистралей;

• 1000BaseSX. Используется многомодовый оптоволоконный кабель при длине сегмента до 500 м и коротковолновые лазеры для коротких магистралей;

• 1000BaseCX. Используется коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 150 Ом максимальной допустимой длины до 25 м для соединения сетевого оборудования в комнатах;

• 1000BaseT. Используется четырехпарная неэкранированная витая пара 5 категории с максимально допустимой длиной сегмента до 100 м.

Все виды стандартов Ethernet используют один и тот же метод разделения физической среды передачи данных - CSMA/CD. Рассмотрим основные этапы взаимодействия сетевых узлов по технологии Ethernet:

1. Станция, которая хочет передать кадр данных, на канальном уровне модели OSI упаковывает пакет данных сетевого уровня в соответствующий LLC-кадр;

2. Для предотвращения коллизий сигналов разных станций, сетевой адаптер «прослушивает» электромагнитные сигналы в физической среде и в случае обнаружения несущей частоты откладывает передачу своего кадра на случайный интервал времени. В противном случае начинает передачу своего кадра;

3. После окончания передачи каждого кадра данных станция ждет небольшую паузу, называемую межкадровым интервалом, что позволяет узлу назначения принять и обработать отосланный кадр, в случае необходимости отправить флаг подтверждения его приема или начать передачу своего кадра;

4. В процессе передачи битовой последовательности кадра данных сетевой адаптер каждого узла следит за передаваемыми по кабелю сигналами с целью обнаружения коллизии;

5. Если сетевым адаптером узла фиксируются переходные процессы в кабеле, т.е. происходит коллизия, то узел прекращает или откладывает передачу своего кадра на случайный интервал времени и посылает шумовую последовательность сигналов, называемую jam-последовательностью, усиливающую состояние коллизии за счет явления электромагнитного резонанса. После завершения переходных процессов и выдерживания случайной паузы, станция повторно пытается передать свой кадр;

6. В случае повторяющихся коллизий узел пытается 16 раз передать кадр, а затем фиксирует ошибку передачи кадра, сообщение о которой передается протоколу верхнего уровня. При этом для уменьшения интенсивности коллизий, узел с каждой новой попыткой случайным образом увеличивает длительность паузы между попытками.

Приведем краткую характеристику существующих стандартов. Общими особенностями протокола Ethernet являются следующие:

1. При скорости передачи 10 Мбит/с полезная производительность для кадров максимальной длины равна 9,74 Мб/с или 812 кадров/с, для кадров минимальной длины равна 5,48 Мб/с или 14880 кадров/с;

2. Максимальный размер поля данных кадра - 1500 байтов, минимальный размер поля данных кадра - 46 байтов;

3. Тип протокола передачи данных – дейтаграммный;

4. Методы и кадры самотестирования – отсутствуют;

5. Задержки доступа к среде резко возрастают при коэффициенте загрузки канала более 30%.

Стандарт 10Base-5. Использует в качестве общей шины передачи данных коаксиальный кабель как моноканал для всех узлов. Сегмент кабеля должен иметь на концах согласующие терминаторы сопротивлением 50 Ом, поглощающие распространяющиеся по кабелю сигналы и препятствующие возникновению отраженных сигналов. Допустимое количество станций в сети - 1024. Максимальное количество станций, подключенных к одному сегменту - 100. Максимальная длина одного сегмента - 500 м. Максимальное расстояние между двумя станциями - 2500 м. Максимальное количество повторителей между двумя любыми станциями - 4.

Каждая оконечная станция подключается к кабелю при помощи трансивера. Трансивер питается от сетевого адаптера компьютера и может подсоединяться к кабелю методом прокалывания и бесконтактным методом. Трансивер соединяется с сетевым адаптером интерфейсным кабелем (Attachment Unit Interface - AUI) с максимальной длиной кабеля между трансивером и сетевым адаптером - 50м.

Стандарт 10Base-2. Стандарт 10Base-2 использует в качестве моноканала тонкий коаксиальный кабель, который прокладывается от компьютера к компьютеру. Сегмент также должен иметь на концах согласующие терминаторы - 50 Ом.

Станции подключаются к кабелю с помощью T-образного разъема, который представляет собой тройник, один отвод которого соединяется с сетевым адаптером, а два других - с байонетными разъемами на концах разрыва кабеля. Допустимое количество станций в сети - 1024. Максимальное количество станций, подключенных к одному сегменту - 30. Максимальная длина одного сегмента - 185 м. Максимальная длина сети - 2500 м. Минимальное расстояние между узлами - 1 м. Трансиверы здесь объединены с сетевыми адаптерами. Реализация стандарта приводит к наиболее простому решению для кабельной сети, так как для соединения компьютеров требуются только сетевые адаптеры и Т-разъемы. Недостатком технологии является то, что этот вид кабельных соединений подвержен авариям и сбоям, так как в моноканале имеется большое количество механических соединений, пользователи имеют доступ к разъемам и могут нарушить целостность кабельного сегмента. Другим недостатком является отсутствие оперативной информации о состоянии моноканала, т.е. повреждение кабеля обнаруживается сразу, но для поиска отказавшего отрезка кабеля необходим кабельный тестер.

Стандарт 10Base-T. Стандарт использует в качестве среды двойную неэкранированную витую пару UTP. Соединения станций осуществляются по схеме «точка – точка» с портами специального устройства повторителя/концентратора с помощью двух витых пар. Одна витая пара используется для передачи данных от станции к порту повторителя, а другая - для передачи данных от повторителя к станции. Наиболее распространен в технологии 8-жильный кабель, состоящий из четырех витых пар. Сетевой узел подключается к порту повторителя с помощью сегмента кабеля длиной не более 100 м на концах которого устанавливаются восьмиконтактные разъемы RJ-45. Концентратор повторяет, приходящий от станции кадр, на всех отрезках витых пар, подключенных к его портам, так что образуется единая среда передачи данных - моноканал. Коллизия в сегменте возникает в случае одновременной передачи сигналов по нескольким входам концентратора. Допустимое количество станций в сети - 1024. Максимальное количество станций, подключенных к одному концентратору - 1024. Максимальная длина сети - 2500 м.

Сети, построенные на основе данного стандарта, обладают таким преимуществом, которое связано с разделением общего физического кабеля на отдельные отрезки, подключенные к концентратору. Такое физическое разделение позволяет контролировать их состояние и отключать в случае обрыва, короткого замыкания или неисправности сетевого адаптера.

Стандарт 10Base-F. Стандарт использует в качестве среды передачи данных оптоволокно. Функционально сеть 10Base-F состоит из тех же элементов, что и сеть 10Base-T - сетевых адаптеров, многопортового концентратора/повторителя и отрезков кабеля, соединяющих каждый адаптер с портом повторителя. Для соединения адаптера с повторителем и реализации дуплексного режима используется два оптоволокна - одно соединяет выход адаптера со входом повторителя, а другое - вход адаптера с выходом повторителя. Допустимое количество станций в сети - 1024. Максимальное количество станций, подключенных к одному концентратору также - 1024.

Существует ряд вариантов реализации стандарта.

Вариант FOIRL (Fiber Optic Inter-Repeater Link) - это первый стандарт комитета 802.3 для оптоволокна в сетях Ethernet. Он гарантирует длину оптоволоконной связи между повторителями до 1 км при общей длине сети не более 2500 м. Максимальное число повторителей - 4. Вариант 10Base-FL предназначен для соединения оконечных узлов с концентратором и работает с сегментами оптоволокна длиной не более 2000 м при общей длине сети не более 2500 м. Максимальное число повторителей - 4.

Вариант 10Base-FB предназначен для магистрального соединения повторителей. Он позволяет иметь в сети до 5 повторителей при максимальной длине одного сегмента 2000 м и максимальной длине сети 2740 м. Повторители, соединенные по стандарту 10Base-FB обмениваются специальными последовательностями сигналов для обнаружения отказов своих портов. Концентраторы могут поддерживать резервные связи, переходя на резервный порт при обнаружении отказа основного. Концентраторы этого стандарта передают как данные, так и сигналы простоя линии синхронно, поэтому вариант 10Base-FB часто называют - синхронный Ethernet.

Fast Ethernet. Технология является развитием технологии Ethernet в сторону увеличения скорости передачи. Стандарт принят комитетом IEEE 802.3 в 1995 году. Основные отличия в технологии реализуются на физическом уровне.

Общими особенностями технологии Fast Ethernet являются:

1. Увеличение пропускной способности сегментов сети до 100 Мб/c;

2. Сохранение метода случайного доступа CSMA/CD;

3. Cохранение звездообразной топологии сетей;

4. Поддержка таких сред передачи данных как оптоволокно (вариант 100Base-FX), двухпарная витая пара категории 5 (вариант 100Base-TX) и четырехпарная витая пара категории 3 или 5 (вариант 100Base-T4).

В подуровни LLC стандарта Fast Ethernet существует расширение формата кадра LLC, называемое протокол доступа к подсетям (Subnetwork Access Protocol - SNAP). В остальном форматы кадров Fast Ethernet не отличаются от кадров Ethernet 10Мбит/с. Однако время передачи кадров Fast Ethernet в 10 раз меньше времени передачи кадров в технологии Ethernet 10Мбит/с. Это достигается за счет того, что межбитовый интервал в битовой последовательности составляет 10 нс вместо 100 нс, а межкадровый интервал - 0.96 мкс вместо 9.6 мкс соответственно.

Различные варианты физического уровня в технологии Fast Ethernet отличаются не только типом кабеля и электрическими параметрами импульсов, но и способом кодирования сигналов и количеством используемых в кабеле проводников. Поэтому физический уровень по данному стандарту разделяется на два подуровня.

Для обеспечения независимости МАС подуровня от способа кодирования сигнала, верхнюю часть физического уровня составляет подуровень согласования (Reconciliation Sublayer - RS), который преобразует сообщения МАС подуровня в конкретный физический код - последовательность полубайтов. На выходе подуровня согласования образуется независимый от среды интерфейс (Media Independent Interface - MII), который можно считать аналогом интерфейса AUI стандарта Ethernet. Далее расположен подуровень, зависящий от конкретной реализации физической среды. Устройство физического уровня (PHY) обеспечивает кодирование данных, поступающих от MAC-подуровня для передачи их по кабелю определенного типа, синхронизацию передаваемых по кабелю данных, а также прием и декодирование данных в узле-приемнике. Интерфейс MII может использоваться не только для связи подуровней PHY и MAC, но и для соединения устройств подуровня PHY с микросхемой повторения сигналов в повторителе-концентраторе.

Для вариантов стандарта 100Base-T4 и 100Base-TX имеются следующие ограничения на конфигурацию сети. Максимально допустимая длина сети - 210 м. Допускается использование не более двух концентраторов-повторителей, расстояние между которыми не должно превышать 10 м, Максимальное расстояние между концентратором и станциями - 100 м. Вариант стандарта 100Base-FX использует два оптоволокна для соединения станции с концентратором. Максимальное расстояние от конечной станции до концентратора при этом увеличивается до 185 м.

Поскольку узлы сети по стандарту работают в полнодуплексном режиме, то здесь отсутствует понятие коллизий, так как каждый узел одновременно передает и принимает кадры данных по двум каналам. При полнодуплексной работе стандарты 100Base-TX и 100Base-FX могут обеспечить скорость обмена данными между узлами до 200 Мб/с.

Спецификация T4 была разработана для того, чтобы можно было использовать для работы сети Fast Ethernet существующую проводку на витой паре категории 3. По данному стандарту используется все 4 пары кабеля для того, чтобы можно было повысить общую пропускную способность за счет одновременной параллельной передачи потоков бит по нескольким каналам.

Gigabit Ethernet. Развитием технологии Fast Ethernet стала разработка стандарта Gigabit Ethernet (IEEE-802.32). Первый проект стандарта был принят в 1997 года. Он предусматривает скорость обмена информацией между станциями сети до 1 Гбит/с. Сетевые устройства данного стандарта предназначены для объединения сегментов сетей Fast Ethernet 100 Мбит/с. В состав оборудования входят сетевые адаптеры со скоростью 1 Гбит/с, коммутаторы и маршрутизаторы.

Сети Gigabit Ethernet совместимы с сетевой инфраструктурой Ethernet и Fast Ethernet, но функционируют со скоростью в 10 раз быстрее Fast Ethernet. Увеличение пропускной способности позволяет устранять «узкие места» сети, которые возникают при работе прикладных программ, требующих большого увеличения трафика, например, при передаче мультимедийной информации в реальном времени. Gigabit Ethernet предоставляет способ перевода рабочих групп Ethernet и Fast Ethernet на новую высокоскоростную технологию, который оказывает минимальное влияние на их деятельность и позволяет достичь более высокой производительности.

В сети Gigabit Ethernet используется управление трафиком, контроль перегрузок и обеспечение качества обслуживания. При этом метод доступа к среде в основном остается прежним - CSMA/CD. В связи с ограничениями, накладываемыми методом CSMA/CD на длину кабеля, Gigabit Ethernet допускает длину связей до 25 метров для физической среды на витой паре. Максимально допустимое расстояние между оконечным узлом и коммутатором для физической среды на оптоволокне - 500 метров для многомодового оптоволокна и 2 км для одномодового.