Формати кадрів

Стандарт технології Ethernet, описаний у документі IEEE 802.3, дає опис єдиного формату кадру рівня MAC. Так як кадр рівня MAC повинен вкладатися кадр рівня LLC, описаний у документі ІЕЕЕ 802.2, то по стандартах IEEE у мережі Ethernet може використовуватися тільки єдиний варіант кадру канального рівня, заголовок якого є комбінацією заголовків MAC і LLC підрівнів.

Проте на практиці в мережах Ethernet на канальному рівні використовуються кадри 4-х різних форматів (типів). Це пов’язано з тривалою історією розвитку технології Ethernet, що нараховує період існування ще до прийняття стандартів IEEE 802, коли підрівень LLC не виділявся з загального протоколу і, відповідно, заголовок LLC не застосовувався.

Консорціум трьох фірм Digital, Intel і Xerox у 1980 році подав на розгляд комітету 802.3 свою фірмову версію стандарту Ethernet (у якій був, звичайно, описаний визначений формат кадру) в якості проекту міжнародного стандарту, але комітет 802.3 прийняв стандарт, що відрізняється в деяких деталях від пропозиції DIX. Відмінності стосувалися і формату кадру, що породило існування двох різних типів кадрів у мережах Ethernet.

Ще один формат кадру з’явився в результаті зусиль компанії Novell по прискоренню роботи свого стека протоколів у мережах Ethernet.

І нарешті, четвертий формат кадру став результатом діяльності комітету 802.2 по приведенню попередніх форматів кадрів до деякого загального стандарту.

Розходження у форматах кадрів можуть приводити до несумісності в роботі апаратури і мережного програмного забезпечення, розрахованого на роботу тільки з одним стандартом кадру Ethernet. Однак сьогодні практично всі мережні адаптери, драйвери мережних адаптерів, мости/комутатори і маршрутизатори вміють працювати з усіма використовуваними на практиці форматами кадрів технології Ethernet, причому розпізнавання типу кадру виконується автоматично.

Нижче розглянемо опис усіх чотирьох типів кадрів Ethernet (тут під кадром розуміється весь набір полів, що відносяться до канального рівня, тобто поля MAC і LLC рівнів). Той самий тип кадру може мати різні назви, тому нижче для кожного типу кадру розглянемо по декілька найбільш вживаних назв:

кадр 802.3/LLC (кадр 802.3/802.2 або кадр Novell 802.2);

кадр Raw 802.3 (або кадр Novell 802.3);

кадр Ethernet DIX (або кадр Ethernet П);

кадр Ethernet SNAP.

Формати всіх цих чотирьох типів кадрів Ethernet приведені на рис. 7.2.

Рис. 7.2. Формати кадрів Ethernet

Кадр 802.3/LLC

Заголовок кадру 802.3/LLC є результатом об’єднання полів заголовків кадрів, визначених у стандартах IEEE 802.3 і 802.2.

Стандарт 802.3 визначає вісім полів заголовка (рис.7.2; поле преамбули і початковий обмежувач кадру на малюнку не показані).

Поле преамбули (Preamble) складається із семи синхронізуючих байт 10101010. При манчестерському кодуванні ця комбінація представляється у фізичному середовищі періодичним хвильовим сигналом з частотою 5 Мгц.

Початковий обмежувач кадру (Stаrt-of-frame-delimiter, SFD) складається з одного байта 10101011. Поява цієї комбінації біт є вказівкою на те, що наступний байт – це перший байт заголовка кадру.

Адреса призначення (Destination Address, DA) може бути довжиною 2 чи 6 байт. На практиці завжди використовуються адреси із 6 байт. Перший біт старшого байта адреси призначення є ознакою того, є адреса індивідуальною чи груповою. Якщо він дорівнює 0, то адреса є індивідуальною (unicast), а якщо 1, те це групова адреса (multicast). Групова адреса може призначатися усім вузлам мережі або визначеній групі вузлів мережі. Якщо адреса складається з всіх одиниць, тобто має шістнадцяткове представлення OxFFFFFFFFFFFF, то вона призначається усім вузлам мережі і називається широкомовною адресою (broadcast). В інших випадках групова адреса пов’язана тільки з тими вузлами, що сконфігуровані (наприклад, вручну) як члени групи, номер якої зазначений у груповій адресі. Другий біт старшого байта адреси визначає спосіб призначення адреси – централізований чи локальний. Якщо цей біт дорівнює 0 (що буває майже завжди в стандартній апаратурі Ethernet), то адреса призначена централізовано, за допомогою комітету IEEE. Комітет ІЕЕЕ розподіляє між виробниками устаткування так названі організаційно унікальні ідентифікатори (Organizationally Unique Identifier, OUI). Цей ідентифікатор міститься в 3 старших байтах адреси (наприклад, ідентифікатор 000081 визначає компанію Bay Networks). За унікальністю молодших 3-х байт адреси відповідає виробник устаткування. Двадцять чотири біти, відведенні виробнику для адресації інтерфейсів його продукції, дозволяють випустити 16 мільйонів інтерфейсів під одним ідентифікатором організації. Унікальність адрес, що централізовано розподіляються, поширюється всі основні технології локальних мереж - Ethernet, Token Ring, FDDI і т.д.

ПРИМІТКА: В стандартах IEEE Ethernet молодший біт байта зображується в самій лівій позиції поля, а старший біт – у самій правій. Цей нестандартний спосіб відображення порядку біт у байті відповідає порядку передачі біт в лінію зв’язку передавачем Ethernet. У стандартах інших організацій, наприклад RPC ITU-T, ISO, використовується традиційне представлення байта, коли молодший біт вважається самим правим бітом байта, а старший - самим лівим. При цьому порядок розміщення байтів залишається традиційним. Тому при читані стандартів, опублікованих цими організаціями, а також читанні даних, що відображаються на екрані операційною системою або аналізатором протоколів, значення кожного байта кадру Ethernet потрібно дзеркально відобразити, щоб одержати правильне представлення про значення розрядів цього байта відповідно до документів IEEE. Наприклад, групова адреса, має у нотації IEEE вигляд: 1000 0000 0000 0000 1010 0111 0000 0000 0000 0000 0000 або в шістнадцятковій системі: 80-00-A7-F0-00-00, буде, швидше за все, відображена аналізатором протоколів у традиційному вигляді як 01-00-5E-0F-00-00.

Адреса джерела (Source Address, SA) – це 2- або 6-байтове поле, яке містить адресу вузла – відправника кадру. Перший біт адреси завжди має значення 0.

Довжина (Length, L) – 2-байтове поле, що визначає довжину поля даних в кадрі.

Поле даних (Data) може містити від 0 до 1500 байт. Але якщо довжина поля менше 46 байт, то використовується наступне поле – поле заповнення, – щоб доповнити кадр до мінімально припустимого значення в 46 байт.

Поле заповнення (Padding) складається з такої кількості байт заповнювача, яка забезпечує мінімальну довжину поля даних у 46 байт. Це забезпечує коректну роботу механізму виявлення колізій. Якщо довжина поля даних достатня, то поле заповнення в кадрі не з’являється.

Поле контрольної суми (Frame Check Sequence, FCS) складається з 4 байт, які містять контрольну суму. Це значення обчислюється по алгоритму CRC-32. Після отримання кадру робоча станція виконує своє обчислення контрольної суми для цього кадру, порівнює отримане значення із значенням поля контрольної суми і, таким чином, визначає чи не спотворений отриманий кадр.

Кадр 802.3 є кадром МАС-підрівня, тому у відповідності із стандартом 802.2 у його поле даних вкладається кадр підрівня LLC із знищеними прапорцями початку і кінця кадру. Так як кадр LLC має заголовок довжиною 3 (у режимі LLC 1) або 4 байт (у режимі LLC2), то максимальний розмір поля даних зменшується до 1497 або 1496 байт.

Кадр Raw802.3/Novell 802.3

Кадр Raw 8023, який називається також кадром Novell 8023, представлений на рис. 7.2. З рисунка видно, що це кадр підрівня MAC стандарту 802.3, але без вкладеного кадру підрівня LLC. Компанія Novell довгий час не використовувала службові поля кадру LLC у своїй операційній системі NetWare через відсутність необхідності ідентифікувати тип інформації, вкладеної в поле даних, – там завжди знаходився пакет протоколу IPX, довгий час бувши єдиним протоколом мережного рівня в ОС NetWare.

Тепер, коли необхідність ідентифікації протоколу верхнього рівня появилася, компанія Novell стала використовувати можливість інкапсуляції в кадр підрівня MAC кадру LLC, тобто використовувати стандартні кадри 802.3/LLC. Такий кадр компанія позначає тепер у своїх операційних системах як кадр 802.2, хоча він є комбінацією заголовків 802.3 і 802.2.

Кадр Ethernet DIX/Ethemet II

Кадр Ethernet DIX, який називається також кадром Ethernet II, має структуру (див. рис. 7.2), яка збігається із структурою кадру Raw 802.3. Однак 2-байтове поле Довжина (L) кадру Raw 802.3 у кадрі Ethernet DIX використовується в якості поля типу протоколу. Це поле, що тепер одержало назву Type (Т) або EtherType, призначено для тої ж мети, що і поле DSAP і SSAP кадру LLC – для вказування типу протоколу верхнього рівня, який вложив свій пакет у поле даних цього кадру.

У той час як коди протоколів у полях SAP мають довжину в один байт, в поле Type для коду протоколу відводиться 2 байти. Тому один і той самий протокол в поле SAP і поле Type буде кодуватися в загальному випадку різними числовими значеннями. Наприклад, протокол IP має код 204810 (0х0800) для поля EtherType і значення 6 для поля SAP. Значення кодів протоколів для поля EtherType з’явилися раніше значень SAP, тому що фірмова версія Ethernet DIX існувала до появи стандарту 802.3, і до часу поширення устаткування 802.3 уже стали стандартами де-факто для багатьох апаратних і програмних продуктів. Так як структури кадрів Ethernet DIX і Raw 802.3 збігаються, то поле довжини/типу часто в документації позначають як поле L/T.

Кадр Ethernet SNAP

Для усунення різнобою в кодуваннях типів протоколів, повідомлення яких вкладені в поле даних кадрів Ethernet, комітетом 802.2 була проведена робота з подальшої стандартизації кадрів Ethernet. У результаті з’явився кадр Ethernet SNAP (SNAP - SubNetwork Access Protocol, протокол доступу до підмереж). Кадр Ethernet SNAP (див. рис.7.2) являє собою розширення кадру 802.3/LLC за рахунок введення додаткового заголовка протоколу SNAP, що складається з двох полів: OUI і Type. Поле Type складається з 2-х байт і повторює по формату і призначенню поле Type кадру Ethernet II (тобто в ньому використовуються ті ж самі значення кодів протоколів). Поле OUI (Organizationally Unique Identifier) визначає ідентифікатор організації, що контролює коди протоколів в поле Type. За допомогою заголовка SNAP досягнута сумісність з кодами протоколів у кадрах Ethernet II, а також створена універсальна схема кодування протоколів. Коди протоколів для технологій 802 контролює IEEE, яка має OUI, рівний 000000. Якщо в майбутньому будуть потрібні інші коди протоколів для якої-небудь нової технології, для цього досить вказати інший ідентифікатор організації, яка призначає ці коди, а старі значення кодів залишаться в силі (у сполученні з іншим ідентифікатором OUI).

Так як SNAP являє собою протокол, вкладений в протокол LLC, то в полях DSAP і SSAP записується код 0хАА, відведений для протоколу SNAP. Поле Control заголовка LLC встановлюється в 0х03, що відповідає використанню ненумерованих кадрів.

Заголовок SNAP є доповненням до заголовка LLC, тому він припустимий не тільки в кадрах Ethernet, але й у кадрах протоколів інших технологій 802. Наприклад, протокол IP завжди використовує структуру заголовків LLC/SNAP при інкапсуляції в кадри всіх протоколів локальних мереж: FDDI, Token Ring, 100VG-AnyLAN, Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet.

Правда, при передачі пакетів IP через мережі Ethernet, Fast Ethernet і Gigabit Ethernet протокол IP використовує кадри Ethernet DIX.

Використання різних типів кадрів Ethernet

Автоматичне розпізнавання типів кадрів Ethernet виконується досить нескладно. Для кодування типу протоколу в поле EtherType вказуються значення, що перевищують значення максимальної довжини поля даних, рівне 1500, тому кадри Ethernet II легко відрізнити від інших типів кадрів за значенням поля L/T. Подальше розпізнавання типу кадру проводиться по наявності чи відсутності полів LLC. Поля LLC можуть бути відсутні тільки в тому випадку, якщо за полем довжини йде початок пакета IPX, а саме 2-байтове поле контрольної суми пакета, яке завжди заповнюється одиницями, що дає значення в 255 байт. Ситуація, коли поля DSAP і SSAP одночасно містять такі значення, виникнути не може, тому наявність двох байт 255 говорить про те, що це кадр Raw 802.3. В інших випадках подальший аналіз проводиться в залежності від значень полів DSAP і SSAP. Якщо вони рівні 0хАА, то це кадр Ethernet SNAP, а якщо ні, то 802.3/LLC.

У таблиці 7.2 приведені дані про те, які типи кадрів Ethernet звичайно підтримують реалізацію популярних протоколів мережного рівня.

Таблиця 7.2. Типи кадрів Ethernet, що підтримують реалізацію популярних протоколів мережного рівня.

4.Специфікації фізичного середовища.

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, що дозволяють використати різні середовища передачі даних. Метод доступу CSMA/CD і всі тимчасові параметри залишаються одними і тими ж для будь-якої специфікації фізичної середовища технології Ethernet 10 Мбіт/с.

Фізичні специфікації технології Ethernet на сьогоднішній день включають наступні середовища передачі даних.

10Base-5 – коаксіальний кабель діаметром 0,5 дюйма, званий “товстим” коаксіалом. Має хвильовий опір 50 Ом. Максимальна довжина сегмента – 500 метрів (без повторювачів).

10Base-2 – коаксіальний кабель діаметром 0,25 дюйма, званий “тонким” коаксіалом. Має хвильовий опір 50 0м. Максимальна довжина сегмента – 185 метрів (без повторювачів).

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 за 100м.

10Base-F – волоконно-оптичний кабель. Топологія аналогічна топології стандарту l0Base-T. Є декілька варіантів цієї специфікації – FOIRL (відстань до 1000 м), l0Base-FL (відстань до 2000 м), l0Base-FB (відстань до 2000 м).

Число 10 у вказаних вище назвах означає 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 несучих частот, які називаються Broadband – широкосмуговими). Останній символ в назві стандарту фізичного рівня означає тип кабелю.

Стандарт 10Ваsе-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 хвильовим опором 50 Ом діаметром центрального мідного проводу 2,17 мм і зовнішнім діаметром біля 10 мм (“товстий” Ethernet). Такими характеристиками володіють кабелі марок RG-8 і RG-11.

Різні компоненти мережі, що складається з трьох сегментів, сполучених повторювачами, виконаної на товстому коаксіалі, показані на мал. 3.5.3.

Кабель використовується як моноканал для всіх станцій. Сегмент кабелю має максимальну довжину 500 м (без повторювачів) і повинен мати на кінцях відповідні термінатори опором 50 0м, які поглинають сигнали, що розповсюджуються по кабелю і перешкоджають виникненню відбитих сигналів. При відсутності термінаторів (“заглушок”) в кабелі виникають стоячі хвилі, так що одні вузли отримують потужні сигнали, а інші – настільки слабкі, що їх прийом стає неможливим.

Рисунок 7.3. Компоненти фізичного рівня мережі стандарту 10 Base-5

Станція повинна підключатися до кабелю при допомозі прийомопередавача – трансівера (transmitter+receiver = transceiver). Трансівер встановлюється безпосередньо на кабелі і живиться від мережевого адаптера комп'ютера. Трансівер може приєднуватися до кабелю як методом проколювання, що забезпечує безпосередній фізичний контакт, так і безконтактним методом.

Трансівер з’єднується з мережевим адаптером інтерфейсним кабелем AUІ (Attachment Unit Interface) довжиною до 50 м, що складається з 4 витих пар (адаптер повинен мати роз'єм AUI). Наявність стандартного інтерфейсу між трансівером і іншою частиною мережевого адаптера дуже корисна при переході з одного типу кабелю на іншій. Для цього досить тільки замінити трансівер, а інша частина мережевого адаптера залишається незмінною, оскільки вона відпрацьовує протокол рівня MAC. При цьому необхідно тільки, щоб новий трансівер (наприклад” трансівер для витої пари) підтримував стандартний інтерфейс AUI. Для приєднання до інтерфейсу AUI використовується роз'єм DB-15.

Допускається підключення до одного сегмента не більше як 100 трансіверів, причому відстань між підключенням трансіверів не повинна бути меншою 2,5 м. На кабелі є розмітка через кожні 2,5 м, яка означає точки підключення трансіверів. При приєднанні комп'ютерів відповідно до розмітки вплив стоячих хвиль в кабелі на мережеві адаптери зводиться до мінімуму.

Трансівер – 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 іншою частиною адаптера;

захист кабелю від некоректної роботи адаптера.

Останню функцію іноді називають “контролем балакучості”, що є буквальним перекладом відповідного англійського терміну (jabber controt). При виникненні несправностей в адаптері може виникнути ситуація, коли на кабель буде безперервно видаватися 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) дорівнює 1221 мкс, а час jabber-контролю встановлюється рівним 4000 мкс (4 мс).

Спрощена структурна схема трансівера показана на мал. 7.4. Передавач і приймач приєднуються до однієї точки кабелю за допомогою спеціальної схеми, наприклад трансформаторною, що дозволяє організувати одночасну передачу і прийом сигналів з кабелю.

Рисунок 7.4. Структурна схема трансівера

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

Стандарт 10Base-5 визначає можливість використання в мережі спеціального пристрою – повторювача (repeator). Повторювач служить для об'єднання в одну мережа декількох сегментів кабелю і збільшення тим самим загальної довжини мережі. Повторювач приймає сигнали з одного сегмента кабелю і побітно синхронно повторює їх в іншому сегменті, поліпшуючи форму і потужність імпульсів, а також синхронізуючи імпульси. Повторювач складається з двох (або декількох) трансіверів, які приєднуються до сегментів кабелю, а також блоку повторення зі своїм тактовим генератором. Для кращої синхронізації біт, що передаються, повторювач затримує передачу декількох перших біт преамбули кадру, за рахунок чого збільшується затримка передачі кадру з сегмента на сегмент, а також дещо зменшується міжкадровий інтервал IPG.

Стандарт дозволяє використання в мережі не більше 4-ох повторювачів і, відповідно, не більше за 5 сегментів кабелю. При максимальній довжині сегмента кабелю в 500 м це дає максимальну довжину мережі 10Base-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, так що максимальна конфігурація мережі являє собою два навантажених крайніх сегмента, які сполучаються ненавантаженими сегментами ще з одним центральним навантаженим сегментом. На. мал. 3.5.3 приведений приклад мережі Ethernet, що складається з трьох сегментів, об'єднаних двома повторювачами. Крайні сегменти є навантаженими, а проміжний – ненавантаженим.

Правило застосування повторювачів в мережі Ethernet 10Base-5 носить назву “правило 5-4-3”: 5 сегментів, 4 повторювачів, 3 навантажених сегмента. Обмежене число повторювачів пояснюється додатковими затримками поширення сигналу, які вони вносять. Застосування повторювачів збільшує час подвійного поширення сигналу, який для надійного розпізнавання колізій неповинен перевищувати час передачі кадру мінімальної довжини, тобто кадру в 72 байт або 576 біт.

Кожний повторювач підключається до сегмента одним своїм трансівером, тому до навантажених сегментів можна підключити не більше за 99 вузлів. Максимальне число кінцевих вузлів в мережі 10Base-5 таким чином становить 99х3 - 297 вузлів. До достоїнств стандарту 10Base-5 відносяться:

хороша захищеність кабелю від зовнішніх впливів;

порівняно велика відстань між вузлами;

можливість простого переміщення робочої станції в межах довжини кабелю AUI.

Недоліками 10Base-5 є:

висока вартість кабелю;

складність його прокладки через велику жорсткість;

потреба в спеціальному інструменті для закладення кабелю;

зупинка 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 10Base-2 використовує як передаюче середовище коаксіальний кабель з діаметром центрального мідного проводу 0,89 мм і зовнішнім діаметром біля 5 мм (“тонкий” Ethernet). Кабель має хвильовий опір 50 Ом. Такими характеристиками володіють кабелі марок RG-58 /U, RG-58 А/U, RG-58 С/U.

Максимальна довжина сегмента без повторювачів становить 185 м, сегмент повинен мати на кінцях відповідні термінатори 50 Ом. Тонкий коаксіальний кабель дешевше товстого, через що мережі 10Base-2 іноді називають мережами Cheapernet (від cheaper – більш дешевий). Але за дешевизну кабелю доводиться розплачуватися якістю – “тонкий” коаксіал володіє гіршої завадозахищеністю, гіршою механічною міцністю і більш вузькою смугою пропускання.

Станції підключаються до кабелю з допомогою високочастотного BNC Т-конектора, який являє собою трійник, одне відведення якого сполучається з мережевим адаптером, а два інших – з двома кінцями розриву кабелю. Максимальна кількість станцій, що підключаються до одного сегмента, – 30. Мінімальна відстань між станціями – 1 м. Кабель “тонкого” коаксіалу має розмітку для підключення вузлів з кроком в 1 м.

Стандарт 10Base-2 також передбачає використання повторювачів, застосування яких також повинно відповідати “правилу 5-4-3”. У цьому випадку мережа буде мати максимальну довжину в 5х185 = 925 м. Очевидно, що це обмеження є більш сильним, ніж загальне обмеження в 2500 метрів.

Стандарт 10Base-2 дуже близький до стандарту 10Base-5. Але трансівери в ньому об'єднані з мережевими адаптерами за рахунок того, що більш гнучкий тонкий коаксіальний кабель може бути підведений безпосередньо до вихідного роз'єму плати мережевого адаптера, встановленої в шасі комп'ютера. Кабель в цьому випадку “висить” на мережевому адаптері, що утрудняє фізичне переміщення комп'ютерів.

Типовий склад мережі стандарту 10Base-2, що складається з одного сегмента кабелю, показаний на мал. 7.5.

Рисунок 7.5 Мережа стандарту 10 Base-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-конектори і термінатори 50 Ом. Однак цей вигляд кабельних з'єднань найбільш сильно схильний до аварій і збоїв: кабель більш сприйнятливий до перешкод, чим “товстий” коаксіал, в моноканалі є велика кількість механічних з'єднань (кожний Т-конектор дає три механічних 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 ергономічність цього рішення залишають бажати кращого оскільки від кожної станції через Т-конектор відійдуть два досить помітних проводи, які під столом часто утворять 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 відрізка кабелю, що відмовив необхідний спеціальний прилад – кабельний тестер.

Стандарт 10Base-T

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

Мережі l0Base-T використовують як середовище дві неекрановані виті пари (Unshielded Twisted Pair, UTP). Багатопарний кабель на основі неекранованої витої пари категорії 3 (категорія визначає смугу пропущення кабелю, величину перехресних наведень NEXT і деякі інші параметри його якості) телефонні компанії вже досить давно використали для підключення телефонних апаратів всередині будівель. Цей кабель носить також назву Voice Grade, що говорить про те, що він призначений для передачі голосу.

Ідея пристосувати цей популярний вигляд кабелю для побудови локальних мереж виявилася дуже плідною, оскільки багато які будівлі вже були оснащені потрібною кабельною системою. Залишалося розробити спосіб підключення мережевих адаптерів і іншого комунікаційного обладнання до витої пари таким чином, щоб зміни в мережевих адаптерах і програмному забезпеченні мережевих операційних систем були б мінімальними в порівнянні з мережами Ethernet на коаксіалі. Це вдалося, тому перехід на виту пару вимагає тільки заміни трансівера мережевого адаптера або порту маршрутизатора, а метод доступу і всі протоколи канального рівня залишилися тими ж, що і в мережах Ethernet на коаксіалі.

Кінцеві вузли сполучаються по топології “точка-точка” зі спеціальним пристроєм – багатопортовим повторювачем за допомогою двох витих пар. Одна вита пара потрібна для передачі даних від станції до повторювача (вихід Тх мережевого адаптера), а інша – для передачі даних від повторювача до станції (вхід Rx мережевого адаптера). На мал. 7.6 показаний приклад трьохпортового повторювача. Повторювач приймає сигнали від одного з кінцевих вузлів і синхронно передає їх на всі свої інші порти, крім того, з якого поступили сигнали.

Багатопортові повторювачі в цьому випадку звичайно називаються концентраторами (англомовні терміни - hub або concentrator). Концентратор здійснює функції повторювача сигналів на всіх відрізках витих пар підключених до його портів, так що утвориться єдине середовище передачі даних – логічний моноканал (логічна загальна шина). Повторювач виявляє колізію в сегменті у разі одночасної передачі сигналів по декількох своїх Rx-входах і посилає jam-послідовність на всі свої Тх-виходи. Стандарт визначає бітову швидкість передачі даних 10 Мбіт/с і максимальна відстань відрізка витої пари між двома безпосередньо пов'язаними вузлами (станціями і концентраторами) не більше за 100 м при наявності витої пари якості не нижче за категорію 3. Ця відстань визначається смугою пропущення витої пари на довжині 100 м вона дозволяє передавати дані з швидкістю 10 Мбіт/с при використанні манчестерського коду.

Рисунок 7.6. Мережа стандарту 10 Base-T

Концентратори l0Base-T можна з'єднувати один з одним за допомогою тих же портів, які призначені для підключення кінцевих вузлів. При цьому треба потурбуватися про те, щоб передавач і приймач одного порту були сполучені відповідно з приймачем і передавачем іншого порту.

Для забезпечення синхронізації станцій при реалізації процедур доступу CSMA/CD і надійного розпізнавання станціями колізій в стандарті визначено максимальне число концентраторів між будь-якими двома станціями мережі, а саме 4. Це правило носить назву “правила 4-х хабів” і воно замінює “правило 5-4-3”, що застосовується до коаксіальних мереж. При створенні мережі l0Base-T з великим числом станцій концентратори можна з'єднувати один з одним ієрархічним способом, утворюючи деревовидну структуру (мал. 7.7).

Рисунок 7.7 Ієрархічне з’єднання концентраторів Ethernet

Загальна кількість станцій в мережі 10Base-T не повинна перевищувати загальної межі в 1024, і для даного типу фізичного рівня цю кількість дійсно можна досягнути. Для цього досить створити дворівневу ієрархію концентраторів, розташувавши на нижньому рівні достатню кількість концентраторів із загальною кількістю портів 1024 (мал. 7.8). Кінцеві вузли треба підключити до портів концентраторів нижнього рівня. Правило 4-х хабів при цьому виконується – між будь-якими кінцевими вузлами буде рівно 3 концентратора.

Рисунок 7.8 Схема з максимальною кількістю станцій

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 повинно бути більше 4-х повторювачів, то максимальний діаметр мережі l0Base-T становить 5х100 = 500 м.

Мережі, побудовані на основі стандарту l0Base-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 хоч логічно ці відрізки як і раніше утворять 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 звичайно автоматично виконує такі функції, повідомляючи при цьому адміністратора мережі про проблему, яка виникла.

У стандарті l0Base-T визначена процедура тестування фізичної працездатності двох відрізків витої пари, які з’єднують трансівер кінцевого вузла і порт повторювача. Ця процедура називається тестом зв’язності (link test), і вона заснована на передачі кожні 16 мс спеціальних імпульсів J і К манчестерського коду між передавачем і приймачем кожної витої пари. Якщо тест не проходить, то порт блокується і відключає проблемний вузол від мережі. Оскільки коди J і К 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 некоректно працюючі, є головною перевагою технології l0Base-T в порівнянні зі складними в експлуатації коаксіальними мережами. Завдяки концентраторам мережа Ethernet придбала деякі межі відмовостійкості системи.

Оптоволоконний Ethernet

Як середовище передачі даних 10 мегабітний Ethernet використовує оптичне волокно. Оптоволоконні стандарти як основний тип кабелю рекомендують досить дешеве багатомодове оптичне волокно, що володіє смугою пропускання 500-800 МГц при довжині кабелю 1 км. Допускається і більш дороге одномодове оптичне волокно з смугою пропущення в декілька гігагерц, але при цьому треба застосовувати спеціальний тип трансівера.

Функціонально мережа Ethernet на оптичному кабелі складається з тих же елементів, що і мережа стандарту l0Base-T – мережевих адаптерів, багатопортового повторювача і відрізків кабелю, що з'єднують адаптер з портом повторювача. Як і у разі витої пари для з'єднання адаптера з повторювачем використовуються два оптоволокна – одне з'єднує вихід Тх адаптера з входом Rx повторювача, а інше – вхід Rx адаптера з виходом Тх повторювача.

Стандарт FOIRL (Fiber Optic Inter-Repeater Link) являє собою перший стандарт комітету 802.3 для використання оптоволокна в мережах Ethernet. Він гарантує довжину оптоволоконного зв'язку між повторювачами до 1 км при загальній довжині мережі не більше за 2500 м. Максимальне число повторювачів між будь-якими вузлами мережі – 4. Максимального діаметра в 2500 м тут досягнути можна, хоч максимальні відрізки кабелю між всіма 4 повторювачами, а також між повторювачами і кінцевими вузлами недопустимі – інакше вийде мережа довжиною 5000 м.

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

Стандарт l0Base-FB призначений тільки для з'єднання повторювачів. Кінцеві вузли не можуть використати цей стандарт для приєднання до портів концентратора. Між вузлами мережі можна встановити до 5 повторювачів l0Base-FB при максимальній довжині одного сегмента 2000 м і максимальній довжині мережі 2740 м.

Повторювачі, сполучені по стандарту l0Base-FB, при відсутності кадрів для передачі постійно обмінюються спеціальними послідовностями сигналів, відмінними від сигналів кадрів даних, для підтримки синхронізації. Тому вони вносять менші затримки при передачі даних з одного сегмента в інший, і це є головною причиною, по якій кількість повторювачів вдалося збільшити до 5. В якості спеціальних сигналів використовуються манчестерські коди J і К 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 l0Base-FB має також назву синхронний Ethernet.

Як і в стандарті l0Base-T, оптоволоконні стандарти Ethernet дозволяють з'єднувати концентратори тільки в деревовидні ієрархічні структури. Будь-які петлі між портами концентраторів не допускаються.

Домен колізій

У технології Ethernet, незалежно від стандарту фізичного рівня, що застосовується, 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. Мережа Ethernet, побудована на повторювачах, завжди утворює один домен колізій. Домен колізій відповідає одному середовищу, що розділяється. Мости, комутатори і маршрутизатори ділять мережу Ethernet на декілька доменів колізій.

Приведена мережа являє собою один домен колізій. Якщо, наприклад, зіткнення кадрів сталося 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 по-З, пов'язаний з концентратором 4, сприйме сигнал колізії, але не передасть його на свої інші порти, оскільки це не входить в його обов'язку. 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 в момент виникнення колізії кадр, то він просто відкине отриманий початок кадру і буде чекати, коли вузол, що передавав кадр через концентратор 4, не зробить повторну спробу передачі. Після успішного прийняття 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 інших сегментів мережі, які підключені до інших портів моста, залишаться просто невідомими.

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

Загальні характеристики стандартів Ethernet 10 Мбіт/с

У табл. 7.3 і 7.4 зведені основні обмеження і характеристики стандартів Ethernet.