Лабораторная работа №2

Технологии локальных сетей Ethernet

Цель работы:

Ознакомление с основами функционирования сетевой технологии Ethernet и ее развитии

Задачи:

1. Изучение спецификации физической среды локальных сетей Ethernet

2. Ознакомление с принципами функционирования коммуникационного оборудования для построения сети

3. Выполнение расчета по проверке работоспособности сети Fast Ethernet

4. Изучение метода коллективного доступа к сети с распознаванием коллизий CSMA/CD

5. Получение практических навыков по построению и расчету сетей Ethernet

Историческая справка

Технология Ethernet была разработана в начале 70-х годов (общепринятое мнение – 1973 год) в корпорации Xerox как технология пакетной передачи данных на топологии “общая шина» со скоростью передачи 10 Мбит/сек. Позднее совместно с фирмами DEC и Intel были проведены работы по стандартизации этой технологии. Официально разработанный стандарт был опубликован 30 сентября 1980 года. Этот стандарт был взят за основу комитетом 802 IEEE для разработки стандарта 802.3, в рамках которого видоизменен формат кадра с учетом использования протоколов LLC управления логическим подуровнем канального уровня.

Ввиду широкой популярности Ethernet комитет 802 в 90-х годах возобновил работы по совершенствованию технологии. В 1995 году был опубликован стандарт 802.3u Fast Ethernet, предусматривающий передачу данных со скоростью 100 Мбит/сек. Уже в 1997 году вышел в свет стандарт 802.3z технологии Gigabit Ethernet, в соответствии с которой стала возможной передача данных со скоростью 1000 Мбит/сек по оптоволоконному кабелю, а в 1999 г. стандарт был доработан и для витой пары (802.3ab).

Период с 2002 по 2006 годы отмечен разработками и выходом стандартов для 10-ти гигабитного Ethernet (802.3ae и 802.3an) построенном на оптоволокне и экранированной витой паре. Последние разработки совершенствования технологии завершены в 2010 году опубликованием стандарта 802.3ba для следующих поколений Ethernet— 40 Gigabit Ethernet (40GbE) и 100 Gigabit Ethernet (100GbE)

Основы технологии Ethernet

Технология Ethernet изначально была разработана для топологии «общая шина», реализованная на кабеле “толстый коаксиал». Таким образом, основным вопросом, решаемым при передачи данных, является управление доступом к разделяемой среде. В технологии Ethernet используется метод множественного доступа с опознаванием несущей и обнаружением коллизий (CSMA/CD), в соответствии с которым всем узлам предоставляются равные права доступа к сети. Позже произошла замена топологии «общая шина» на топологию «звезда» с использованием витой пары, однако разделяемая среда осталась неизменной, так как в качестве концентраторов использовались повторители.

Использование разделяемой среды передачи данных предполагает, что в любой момент времени в сети может передаваться лишь один блок данных (кадр). Все станции должны воздержаться от передачи до тех пор, пока в сети будет отсутствовать информационный сигнал. Для метода физического кодирования Манчестерский код II, который используется в Ethernet, признаком информационного сигнала является наличие потенциала в кабеле. Если несущая не обнаружена, станция может передавать кадр. Недостатком такого подхода является то, что две или более станции могут одновременно начать передачу, что приведет к наложению сигналов. Такое явление называется коллизией. Такая же ситуация может произойти, если одна станция начнет передачу, а вторая станция начнет передавать данные с запаздыванием t_z < t_a, где t_a – время прохождения сигнала по кабелю из одного конца в другой. Таким образом, гарантией успешной передачи является полный «захват» сети сигналами передаваемого кадра. Это означает, что кадр должен занимать сеть столько времени, пока сигнал не совершит полный оборот - из одного конца в другой и обратно. Для топологии сети «общая шина» длиной 2500 метров с определенным запасом это время составляет 576 битовых интервала (bt). Эта величина – время двойного оборота сигнала (PDV – Path Delay Value) – является важнейшей характеристикой технологии Ethernet и оказывает влияние на структуру кадра. Для того, чтобы предотвратить возможность начала передачи другой станцией, длина кадра должна быть не менее 576 бит.

Метод CSMA/CD состоит в следующем. Каждая станция обязана прослушивать среду передачи и имеет право передавать кадр только в случае отсутствия несущего сигнала. Если произошла коллизия, то станция, которая обнаруживает это явление, обязана передать в сеть специальный сигнал из запрещенных кодов (Jam-последовательность, 32 бита), который сигнализирует всем станциям о коллизии и заставляет на определенное время воздержаться от передачи. Последующую попытку передать данные станция осуществляет через интервал времени, который определяется по формуле:

T = P * t_o,

где:

t_o – интервал отсрочки, равный 512 битовым интервалам;

P – целое число, выбранное с равной вероятностью из интервала [0, 2ⁿ], где n – номер попытки передачи данного кадра. Станция имеет право на 16 попыток, но при этом n ограничено числом 10.

Аналогичным образом станция поступает и в случае, если при попытке передать кадр обнаружена несущая. Из-за того, что время ожидания выбирается случайным образом, момент очередной попытки разносится во времени для разных станций.

Для предоставления равных возможностей всем станциям после передачи кадра станция обязана сделать паузу в 96 bt. За это время другая станция может «захватить» сеть. После этого станция по выше описанному методу начинает бороться за право передачи. После 16 неудачных попыток передать кадр сеть считается недоступной.