Тема 5.3 Мережа Ethernet
План лекції
Мережа Ethernet та стандарт ІЕЕЕ-802.3
Мережі з маркерним методом доступу
Мережі з маркерним методом доступу (стандарт ІЕЕЕ 802.5)
Мережі FDDI
З декількох десятків типів систем провідникових з'єднань у локальних мережах лідерами є два стандарти: 802.3 (часто, хоч і не зовсім точно, звана Ethernet) і 802.5 (Token Ring). Числа 802.3 і 802.5 відносяться як до цих систем, так і до відповідних їм стандартам, визначеним Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE).
Ці типи мереж популярні тому, що є відкритими стандартами, а не системами, контролюємими деяким конкретним розробником обладнання. 1. Мережа Ethernet та стандарт ІЕЕЕ-802.3
На сьогоднішній день серед магістральних локальних мереж найбільш широке розповсюдження отримала мережа Ethernet яка була розроблена у дослідницькому центрі компанії Xerox у 70-х роках. Вперше термін Ethernet був застосовний Робертом Меткалфом у записці, написаній ним у цьому дослідницькому центрі у травні 1973 року. Ця мережа призначена для об’єднання різних абонентських систем в локальну комп’ютерну мережу. Успішний досвід експлуатації мережі Ethternet дозволив взяти її за основу при розробці стандарту ІЕЕЕ-802.3 для магістральних мереж з множинним доступом, контролем передачі і виявленням колізій.
В теперішній час термін Ethernet частіше всього застосовують для опису всіх локальних мереж, які працюють за принципами CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/ Collision Detection) – множинного доступу з контролем несущої і виявленням колізій, що відповідає специфікації Ethernet ІЕЕЕ 802.3. В моделі OSI протокол CSMA/CD відноситься до доступу до передавального середовища. На цьому рівні визначається формат, у якому інформація передається по мережі, і спосіб, за допомогою якого мережний пристрій отримує доступ до мережі (або керування мережею) для передачі даних. CSMA/CD складається з двох частин: Carrier Sense Multiple Access і Collision Detection. Перша частина визначає, яким чином робоча станція з мережним адаптером “ловить” момент, коли їй слід відправити повідомлення. У відповідності із протоколом CSMA, робоча станція спочатку прослуховує мережу, щоб визначити, чи не передається в даний момент будь яке інше повідомлення. Якщо прослуховується несущий сигнал (carrier tone), це означає, що в даний момент мережа зайнята іншим повідомленням – робоча станція переходить до режиму очікування і знаходиться в ньому стільки, доки мережа не звільниться. Коли в мережі настає мовчання, станція починає передачу. Друга частина - Collision Detection – служить для розв’язання ситуацій, коли дві або більше робочі станції роблять спробу передавати повідомлення одночасно. Якщо дві станції почнуть передавати свої пакети одночасно, дані, що передаються, накладаються один на одного і жодне з повідомлень не дійде до отримувача. Таку ситуацію називають конфліктом або колізією (сигнали однієї станції змішуються з сигналами іншої). Collision Detection вимагає, щоб станція прослухала мережу також і після початку передачі пакета. Якщо виявляється конфлікт, станція поновлює передачу пакета через випадковим чином вибраний проміжок часу. Далі вона знов перевіряє, чи не відбувся конфлікт. Термін “множинний доступ” підкреслює той факт, що всі станції мають однакове право на доступ до мережі. Якщо одна з станцій виявила колізію, вона посилає спеціальний сигнал, який попереджує інші станції, про виникнення конфлікту. При колізії вилучаються всі дані з мережі. Після колізії станції роблять спробу передати дані повторно. Для того, щоб запобігти одночасну передачу, був розроблений спеціальний механізм переривань, який передписує кожній станції очікувати випадковий проміжок часу перед повторною передачею. Станція, якій дістався найкоротший термін очікування, першою отримає право на передачу даних, а інші визначать, що мережа зайнята і знов будуть очікувати. Одиницею виміру часу очікування є подвоєний час розповсюдження сигналу з кінця в кінець відрізку кабеля і дорівнює приблизно 51.2 мс. Після першого конфлікту кожна станція очікує 0 або 1 одиницю часу, перш ніж зробить спробу поновити передачу. Якщо знов відбувся конфлікт, що може бути якщо дві станції вибрали одне й те ж число, то кожна з них вибирає одне з чотирьох випадкових чисел: 0, 1, 2, 3. Якщо і втретє відбувся конфлікт, випадкове число вибирається з інтервалу 0-7 і т. д. Після десяти послідовних конфліктів інтервал вибору випадкових чисел фіксується і стає 0-1023. Після шістнадцяти конфліктів контролер відмовляється від подальших спроб передати кадр і повідомляє про це комп’ютеру. Всі подальші дії по виходу із ситуації, що створилася, здійснюються під керівництвом протоколів вехнього рівня. Такий алгоритм дозволяє розв’язати колізії, коли станцій, що конфліктують, небагато. Виявлення конфлікту засноване на порівнянні відправлених сигналів і сигналів інших робочих станцій. Апаратне забезпечення станції повинно під час передачі “прослуховувати” кабель для визначення факту колізії. Якщо сигнал, який станція реєструє, відрізняється від того, що вона передає, значить, відбулася колізія. Тому повинен існувати механізм, який дозволяє відрізняти сигнали у кабелі. Цей механізм було знайдено – їм стало манчестерське кодування і диференціальне манчестерське кодування сигналу.
За манчестерського кодування кожний інтервал часу, впродовж якого відбувається передача одного біта, поділяється на дві половинки. Одиничний біт кодується високим рівнем напруги у першій половині і низьким рівнем напруги у другій. Нульовий біт кодується протилежним чином. Зміна напруги всередині інтервалу полегшує стороні, що приймає, синхронізацію із станцією, що передає. Диференціальне манчестерське кодування являє собою різновид звичайного манчестерського кодування. В цьому випадку одиничний біт характеризується відсутністю зміни рівнів напруги (рівні напруги в обох половинках рівні). Зміна рівня напруги на початку біта означає, що це нульовий біт. Недоліком манчестерського кодування є необхідність подвоєння ширини полоси пропускання у порівнянні із прямим кодуванням. Однак завдяки своїй простоті манчестерське кодування застосовується у стандарті 802.3. Верхній та нижній рівні напруги складають +0.85 В і – 0.85 В. Пряме двійкове кодування побудоване на кодуванні нульового біта рівнем напруги 0 В і одиничного біта ненульовим рівнем напруги (5 В). Мережа Ethernet відноситься до категорії широкомовних. В таких мережах всі станції бачать всі кадри незалежно від того, чи є вони їх отримувачами. Кожна станція повинна перевіряти, чи не їй призначені дані, що передаються. Отримані дані передаються на наступний вищий рівень. Розгляд даної мережі почнемо з канального рівня, поступово переходячи до фізичного рівня, технічним засобам та прикладам її реалізації. Як відомо, канальний рівень локальних мереж поділений на два підрівня: керування логічним каналом і керування доступом до передавального середовища, перший з них визначений у відповідності зі стандартом IEEE 802.2, а другий –IEEE 802.3.
|
|
Рисунок 5.2. Кадр стандарту ІЕЕЕ 802.3
В якості протокольного блоку даних підрівня керування доступом до передавального середовища застосовується кадр підрівня, за допомогою якого здійснюється обмін інформацією між станціями мережі. На рис.3.3.1 представлена структура блоку даних стандарту ІЕЕЕ 802.3. Кадр починається преамбулою, яка відповідає за побітову синхронізацію передачі і прийому даних мережним адаптером. З цією метою в преамбулі сім разів повторюється байт 10101010. Початок надходження інформації пов’язаний з появою початкового обмежувача кадра, який представляє собою наступну послідовність біт: 10101011, що відрізняється від преамбули значенням двох останніх розрядів. В полі адреси отримувача розміром 2 або 6 байт вказується адреса станції, якій направляється даний кадр. Перший біт адреси визначає тип адресації: нулю відповідає режим індивідуальної адресації, а одиниці – групової адресації. Одиниця в першому біті вказує на те що кадр повинен сприйматися групою станцій. Поле адреси відправника вміщує адресу станції, якій належить даний кадр. Поле адреси відправника має довжину, що дорівнює довжині поля адреси отримувача, при цьому перший його біт завжди дорівнює нулю. Блок даних керування логічним каналом може мати різну довжину, тому для визначення місця його закінчення необхідно вказати довжину блоку даних. Що і визначається за допомогою змісту поля довжини блоку даних, розмір якого дорівнює двом байтам. Перераховані вище поля можна розглядати як заголовок кадру, безпосередньо за яким слідує поле блоку даних і, можливо, заповнювач. В якості блоку даних виступає протокольний блок стандарту ІЕЕЕ-802.2, що надходить з більш вищого підрівня – керування логічним каналом. Далі стандартом визначається максимальна (1518 біт) і мінімальна (512 біт) довжина кадру. Обмеження на мінімальну довжину кадра позв’язано з механізмом виявлення конфліктів. Під час передачі занадто коротких повідомлень станція може завершити передачу кадру даних до виявлення колізії. В цьому випадку буде вважатися, що кадр переданий без зіткнення і не буде зроблена спроба його повторної передачі. Час, на протязі якого станція може визначити наявність кадру другої станції, називається вікном конфліктів. Довжина вікна конфліктів визначається сумарним часом розповсюдження між двома крайніми станціями. Вважається, що по закінченні часу, що дорівнює вікну конфліктів, станція захопила передавальне середовище, поскільки за цей час станції повинні визначити наявність передачі з боку даної станції. Стандартом визначається максимальне значення вікна конфліктів, яке застосовується для передачі параметрів мережі, в тому числі мінімальної довжини кадру і максимальної довжини мережі. Максимальна довжина кадру пов’язана з можливістю появи помилки в кадрі при його передачі. В кінці кадру знаходиться поле довжиною чотирі байти, в якому міститься контрольна послідовність кадру, обчислена за допомогою стандартного створюючого полінома 32-ї степені. Удосконалення мережних засобів, і в першу чергу адаптерів, дозволило широко застосовувати кручені пари провідників в якості передавального середовища локальних комп’ютерних мереж. Спочатку кручена пара застосовувалась у телефонних лініях. У такому кабелі звичайно застосовуються декілька пар ізольованих провідників скручених один навкруги одного, що забезпечує захист від власних і зовнішніх наведень. Кабель із крученою парою буває двох типів: неекранованим та екранованим. Стандарт ЕІА/ТІА 568 Commercial Building Wiring Standart (стандарт проводки у офісах) визначив п'ять категорій кабелів на неекранованій крученій парі (Unshielded Twisted Pair, UTP).
Кабель UTP 1 не підтримує передачу цифрових даних.
Кабель UTP 2 застарів; він підтримує швидкість передачі до 4 Мбіт/с.
Кабель UTP 3 здатний підтримувати швидкість передачі до 10 Мбіт/с і відповідає лише мінімальним вимогам до мережі передачі. Ця категорія відповідає класу С.
Кабель UTP 4 не набагато випереджає кабель категорії 3 по швидкості передачі. Він здатний передавати дані із швидкістю 16 Мбіт/с. Цей кабель був розроблений для стандарту ІЕЕЕ 802.5.
Більш сучасним є кабель UTP 5, який відповідає класу D. Він здатний працювати із швидкістю 100 Мбіт/с. Цей кабель був розроблений для мереж ІЕЕЕ 802.5 i TPFDDI (специфікація мережі TPFDDI на електричному кабелі).
У відповідності із стандартом хвильовий опір кабелів UTP 4 і 5 повинен складати 100 Ом у диапазоні частот від 1 МГц до межевої. Для кабелю UTP 5 встановлено мінімальне число взаємних скручувань на одиницю довжини ( 8 на 1 фут, або, приблизно, 26 на 1 м).
З’єднання кабелю з адаптером і концентратором здійснюється за допомогою 8-контактних коннекторів RJ-45. До переваг кабелю на крученій парі відносять його дешевизну і простоту встановлення. Його недоліками є: взаємне накладання сигналів між суміжними провідниками (crosstalk), чуйність до зовнішніх електромагнітних полів, можливість несанкціонованого перехоплення інформації, високий ступінь затухання сигналу по шляху, ніж у кабелів інших типів. Кабель UTP 5 традиційно має чотири пари провідників, з яких у мережах Ethernet i Fast Ethernet застосовуються тільки дві. У зв’язку з тим, що в мережах Gigabit Ethernet і АТМ із швидкістю передачі 622 Мбіт/с і вище задіяні всі чотири пари, зростає інтенсивність перехресних перешкод. Екранована кручена пара(Shielded Twisted Pair, STP) відрізняється тим, що має електрично заземлене мідне оплетення або алюмінієву фольгу. Існують кабелі як із спільним екраном, так і з екраном навкруги кожної пари. Екран забезпечує захист від всіх зовнішніх електромагнітних полів. Однак по швидкості передачі даних і по обмеженнях, що накладаються на максимальну відстань, такі кабелі ідентичні кабелям без екранування.