Технология Ethernet | Стандарты Ethernet | Метод доступа Ethernet

Технология Ethernet была разработана в исследовательском центре компании Xerox в середине 1970-х годов. В 1980 году фирмы DEC, Intel и Xerox выпустили вторую фирменную версию стандарта Ethernet (Ethernet DIX или Ethernet II). На основе технологии Ethernet DIX был разработан стандарт 802.3. Эти два стандарта очень близкие, но есть и некоторые отличия, например, в формате кадра. В это время термин Ethernet обычно употребляется для описания всех локальных сетей, которые используют метод доступа Ethernet с контролем несущей и выявлением коллизий (CSMA/CD, Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection).

Метод доступа CSMA/CD

Метод доступа CSMA/CD определяет, во-первых, каким образом станция определяет момент, когда она может передать кадр, во-вторых – каким образом должны вести себя станции в случае одновременного начала передачи кадров двумя или больше узлами.
Каждая станция постоянно прослушивает сеть. Если в сети присутствует сигнал несущей частоты, это отмечает, что другая станция передает свой кадр. Для того, чтобы иметь право передать кадр, станция должна дождаться “тишины” (отсутствия несущего), выждать технологическую паузу (9.6  мкс), и, если за время паузы сигнал несущей не появился, начать передачу.

Все станции, прослушивая сеть, распознают переданный кадр, и из них, чей адрес записан в поле получателя, принимает кадр полностью и передает его протоколам верхних уровней. Другие станции “чужие” кадры должны игнорировать.

Возможна ситуация, когда две станции одновременно начинают передачу кадров. Такая ситуация называется коллизией (collision). Наступление коллизии передаточная станция может определить по отличия переданные и принятых ею данных (во время передачи кадру станция продолжает прослушивать украшаю узором). Станция, которая обнаружила коллизию, повинна прекратить передачу кадру, передать в сеть специальный сигнал затора (jam), который составляет из 32 бит, и выдержать паузу случайной длительности (вычисленной по специальном алгоритме). После этого она может опять попробовать передать свой кадр (конечно, дождавшись “тишины” и выждать технологическую паузу).

Интервал времени к повторной попытке доступа после коллизии определяется как случайное число интервалов отсрочки (один интервал отсрочки равняется 512 битовым интервалам, то есть 51,2 мкс). Количество интервалов отсрочки определяется как случайное целое число, равномерно распределенное в интервале 0..2n (1<=n<=10) или 0..210 (10<n<=16). Здесь n – номер попытки передачи кадру. Если 16 попыток заканчиваются неудачно (порождающие коллизии), подуровень MAC отбрасывает кадр и передает верхним уровням сообщения об ошибке.

Форматы кадров Ethernet

В сетях Ethernet могут применяться кадры четырех форматов:

1. Ethernet II (Ethernet DIX);
2. Ethernet 802.2;
3. Ethernet 802.3;
4. Ethernet SNAP.

На Рис.1 приведены форматы кадров (первая строка - обозначение полей, вторая строка - размеры полей в байтах).

Рис. 1 Форматы кадров Ethernet

1. Поле P (Preamble, преамбула) состоит из семи байт 10101010 и используется для синхронизации. Преамбула кадра Ethernet II содержит также полет SFD;
2. Поле SFD (Start of Frame Delimiter, разделитель начала кадра) имеет значение 10101011 и указывает на то, что следующий байт принадлежит заглавию кадра.
3. Поле DA (Destination Address, адрес назначения) содержит адрес одного из трех типов:

1. индивидуальный (unicast) адрес – первый бит старшего байта равняется 0, указывает на единственного получателя (являет собой его MAC-адресу); уникальность адресов обеспечивают производители сетевого оборудования: во втором и третьем байте сохраняется номер фирмы-изготовителя, а другие заполняются изготовителем; некоторые сетевые адаптеры позволяют устанавливать для них произвольный MAC-адресу;
2. широковещательный (broadcast) адрес – состоит из всех единиц (0xFFFFFFFFFFFF), указывает на то, что данный кадр должен быть получен всеми узлами сети;
3. групповой (multicast) адрес – первый бит старшего байта равняется 1, в других битах сохраняется номер группы узлов, для которых назначенный дан кадр.

4. Поле SA(Source Address, адрес источника) содержит MAC-адресу отправителя кадра (всегда индивидуальный адрес);
5. Поле Type (тип) указывает на протокол верхнего уровня, чьи данные передаются в кадре (фактически, выполняет функции полей DSAP и SSAP из заглавия кадра LLC);
6. Поле Length (длина) содержит размер поля Data (в байтах);
7. Поле Data (данные) содержит данные, переданные протоколом верхнего уровня;
8. Поле FCS (Frame Check Sequence, контрольная последовательность кадра) содержит контрольную сумму кадра, вычисленную по алгоритму CRC-32;
9. Поля DSAP, SSAP и Control составляют заглавие LLC-кадру.
10. Поле PROTID (идентификатор протокола) позволяет использовать кадры Ethernet для передачи данных больше широкого множества протоколов верхнего уровня. Это поле состоит из двух подполей: трехбайтового OUI (Organizationally Unique Identifier, организационно уникальный идентификатор), что хранит номер организации, которая контролирует кодов протоколов во втором (двухбайтовому) подполе Type (тип). IEEE присвоен OUI = 0x00000.

Спецификации физической среды Ethernet

Исторически первые сети технологии Ethernet были созданы на коаксиальном кабеле диаметром 0,5 дюйма. В дальнейшем были определены и другой спецификации физического уровня для стандарта Ethernet, что позволяют использовать разные среды передачи данные. Метод доступа Ethernet CSMA/CD и все временные параметры остаются теми же для любой спецификации физической среды технологии Ethernet 10 Мбит/с.

Физические спецификации технологии Ethernet на сегодняшний день включают следующие среды передачи данные.

1. 10Base-5 - коаксиальный кабель диаметром 0,5 дюйма, называющимся «толстым» коаксиальным кабелем. Имеет волновое сопротивление 50 Ом. Максимальная длина сегмента - 500 метров (без повторителей).
2. 10Base-2 - коаксиальный кабель диаметром 0,25 дюйма, называющийся  «тонким» коаксиальным кабелем. Имеет волновое сопротивление 50 Ом. Максимальная длина сегмента - 185 метров (без повторителей).
3. 10Base-T - кабель на основе неэкранированной витой пары (Unshielded Twisted Pair, UTP). Образует звездообразную топологию на основе концентратора. Расстояние между концентратором и конечным узлом - не больше 100 м.
4. 10Base-F - волоконно-оптический кабель. Топология аналогична топологии стандарта l0Base-T. Есть несколько вариантов этой спецификации - FOIRL (расстояние до 1000 м), l0Base-FL (расстояние до 2000 м), l0Base-FB (расстояние до 2000 м).

Число 10 в отмеченных выше названиях помечает битовую скорость передачи данные этих стандартов - 10 Мбит/с, а слово Base - метод передачи на одной базовой частоте 10 МГц (в отличие от методов, которые используют несколько несущих частот, которые называются Broadband, - широкополосными). Последний символ в названии стандарта физического уровня помечает тип кабеля.

Стандарт 10Base-5

Стандарт 10Base-5 в основном отвечает экспериментальной сети Ethernet фирмы Xerox и может считаться классическим Ethernet. Он использует в качестве среда передачи данные коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50 Ом, диаметром центрального медного провода 2,17 мм и внешним диаметром около 10 мм («толстый» Ethernet). Такими характеристиками владеют кабели марок RG-8, RG-11.

Кабель используется в качестве моноканал для всех станций. Сегмент кабеля имеет максимальную длину 500 м (без повторителей) и должен иметь на концах терминаторы сопротивлением 50 Ом, что поглощают сигналы, которые распространяются по кабелю и препятствуют возникновению отраженных сигналов.

Станция должна подключаться к кабелю с помощью приемопередатчика – трансивера (transmitter+Teceiver = transceiver). Трансивер устанавливается непосредственно на кабеле и питается от сетевого адаптера компьютера.

Трансивер соединяется с сетевым адаптером интерфейсным кабелем AUI (Attachment Unit Interface) длиной до 50 м, который состоит из 4 крученных пар (адаптер должен иметь разнимание AUI). Наличие стандартного интерфейса между трансивером и другой частью сетевого адаптера очень полезно при переходе из одного типа кабеля на другой. Для этого достаточно только заменить трансивер, а другая часть сетевого адаптера остается неизменной, потому что она отрабатывает протокол уровня MAC. При этом необходимо только, чтобы новый трансивер (например, трансивер для крученный пары) поддерживал стандартный интерфейс AUI. Для присоединения к интерфейсу AUI используется разнимание DB-15.

Допускается подключение к одному сегменту не больше 100 трансиверов, причем расстояние между подключениями трансиверов не должно быть менее 2,5 м. На кабеле является разметкой через каждых 2,5 м, что помечает точки подключения трансиверов.
Трансивер - это часть сетевого адаптера, который выполняет следующие функции:

1. прием и передача данных из кабеля на кабель;
2. определение коллизий на кабеле;
3. электрическая развязка между кабелем и другой частью адаптера;
4. защита кабеля от некорректной работы адаптера.

Стандарт 10Base-5 определяет возможность использования в сети специального устройства - повторителя (repeater). Повторитель служит для объединения в одну сеть нескольких сегментов кабеля и увеличения тем самым общей длины сети.
Стандарт позволяет использование в сети не больше 4 повторителей и, соответственно, не больше 5 сегментов кабеля. При максимальной длине сегмента кабеля в 500 м это дает максимальную длину сети 10Base-5 в 2500 м. Только 3 сегмента с 5 могут быть нагруженными, то есть такими, к которым подключаются конечные узлы. Между нагруженными сегментами должны быть ненагружены сегменты, так что максимальная конфигурация сети являет собой два нагруженных крайних сегмента, которые соединяются ненагруженными сегментами еще с одним центральным нагруженным сегментом.

Правило применение повторителей в сети Ethernet 10Base-5 зовется «правило 5-4-3»: 5 сегментов, 4 повторителя, 3 нагруженных сегменты. Ограничено число повторителей объясняется дополнительными задержками распространения сигнала, какие они вносят. Применение повторителей увеличивает время двойного распространения сигнала, что для надежного распознавания коллизий не должно превышать время передачи кадру минимальной длины, то есть кадру в 72 байт или 576 бит.

Каждый повторитель подключается к сегменту одним своим трансивером, потому к нагруженным сегментам можно подключить не больше 99 узлов. Максимальное число конечных узлов в сети 10Base-5 таким способом составляет 99x3 = 297 узлов.

К преимуществам стандарта 10Base-5 относятся:

1. красивая защищенность кабеля от внешних влияний;
2. сравнительно большое расстояние между узлами;
3. возможность простого перемещения рабочей станции в пределах длины кабеля AUI.

Недостатками 10Base-5 есть:

1. высокая стоимость кабеля;
2. сложность его прокладки через большую твердость;
3. потребность в специальном инструменте для закладки кабеля;
4. останов работы всей сети при повреждении кабеля или плохом соединении;
5. необходимость предварительно предусмотреть подводку кабеля ко всем возможным местам установки компьютеров.

Рис. 2 Структура сети стандарта 10Base-5

Стандарт 10Base-2

Стандарт 10Base-2 использует в качестве передаточная среда коаксиальный кабель с диаметром центрального медного провода 0,89 мм и внешним диаметром около 5 мм («тонкий» Ethernet). Кабель имеет волновое сопротивление 50 Ом. Такими характеристиками владеют кабели марок RG-58/U, RG-58 A/U, RG-58 C/U.

Максимальная длина сегмента без повторителей составляет 185 м, сегмент должен иметь на концах терминаторы 50 Ом. Тонкий коаксиальный кабель более дешево толстого, через что сети 10Base-2 иногда называют сетями Cheapernet (от cheaper – больше дешевый). Но за дешевизну кабеля придется расплачиваться качеством - «тонкий» коаксиал имеет меньшую помехозащищенность, меньшую механическую прочность и большую узкую полосу пропускания.

Станции подключаются к кабелю с помощью высокочастотного BNC Т-конектора, что являет собой тройник, один отвод которого соединяется с сетевым адаптером, а два других – с двумя концами разрыва кабеля. Максимальное количество станций, которые подключаются к одному сегменту, - 30. Минимальное расстояние между станциями - 1м. Кабель «тонкого» коаксиала имеет разметку для подключения узлов с шагом в 1 м.

Стандарт 10Base-2 также предусматривает использование повторителей, применение которых также должно отвечать «правилу 5-4-3». В этом случае сеть будет иметь максимальную длину в 5x185 = 925 м. Очевидно, что это ограничение является больше сильным, чем общее ограничение в 2500 метров.

Замечание. Для построения корректной сети Ethernet нужно соблюсти много ограничений, причем некоторые из них относятся к тем же параметрам сети  например, максимальная длина или максимальное количество компьютеров в сети повинные удовлетворять одновременно нескольким разным условиям. Корректная сеть Ethernet должна отвечать всем требованиям, но на практике нужно удовлетворить только наиболее тверди. Да, если в сети Ethernet не должны быть больше 1024 узлов, а стандарт 10Base-2 ограничивает число нагруженных сегментов тремя, и общее количество узлов в сети 10Base-2 не должно превышать 29x3 = 87.
Общим недостатком стандартов 10Base-5 и 10Base-2 есть отсутствие оперативной информации о состоянии моноканала. Повреждение кабеля оказывается сразу же (сеть перестает работать), но для поиска отрезка кабеля, который отказал, необходим специальный прибор - кабельный тестер.

Рис. 3 Структура сети стандарта 10Base-2

Стандарт 10Bаse-T

Сети 10Base-T используют в качестве среды две неэкранированной витой пары (Unshielded Twisted Pair, UTP).
Конечные узлы соединяются по топологию «точка-точка» со специальным устройством - многопортовым повторителем с помощью двух крученных пар. Одной крученной пары нужно для передачи данных от станции к повторителю (выход Тх сетевого адаптера), а другая – для передачи данных от повторителя к станции (вход Rx сетевого адаптера). Многопортовые повторители в этом случае обычно называются концентраторами (англоязычные сроки – hub или concentrator). Концентратор осуществляет функции повторителя сигналов на всех отрезках крученных пар, подключенных к его портам, так что образуется единственная среда передачи данные  логический моноканал (логическая общая шина).

Повторитель обнаруживает коллизию в сегменте в случае одновременной передачи сигналов по нескольким своим Rx-входах и посылает jam-последовательность на все свои Тх-выходы. Стандарт определяет битовую скорость  передачи данные 10 Мбит/с и максимальное расстояние отрезка крученный пары между двумя непосредственно связанными узлами (станциями и концентраторами) не больше 100 м при наличии крученный пары качества не ниже категории 3. Это расстояние определяется полосой пропускания крученный пары - на длине 100 м она позволяет передавать данные со скоростью 10 Мбит/с при использовании манчестерского кода.
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 максимально число концентраторов между любыми двумя станциями сети, а именно - 4. Это правило зовется «правило 4-х хабов» и оно замещает «правило 5-4-3», что применяется к коаксиальным сетям.

Общее количество станций в сети 10Base-T не должно превышать общий предел в 1024, и для данного типа физического уровня это количество действительно можно достичь. Для этого достаточно создать двухуровневую иерархию концентраторов, расположив на нижнем уровне достаточное количество концентраторов с общим количеством портов 1024. Конечные узлы нужно подключить к портам концентраторов нижнего уровня. Правило 4-х хабов при этом выполняется - между любыми конечными узлами будет ровно 3 концентратора.

Сети, построенные на основе стандарта 10Base-T, владеют в сравнении с коаксиальными вариантами Ethernet многими преимуществами. Эти преимущества связаны с делением общего физического кабеля на отдельные кабельные отрезки, подключенные к центральному коммуникационному устройству. И хотя логично эти отрезки как и раньше образуют общую деленную среду, их физическое деление позволяет контролировать их состояние и отключать в случае обрыва, короткого замыкания или неисправности сетевого адаптера на индивидуальной основе. Это обстоятельство существенно облегчает эксплуатацию больших сетей Ethernet, потому что концентратор обычно автоматически выполняет такие функции, сообщая при этом администратору сети о возникшей проблеме.

В стандарте 10Base-T определена процедура тестирования физической работоспособности двух отрезков крученной пары, которые соединяют трансивер конечного узла и порт повторителя. Эта процедура называется тестом связывания (link test), и она основана на передаче каждые 16 мс специальных импульсов J и К манчестерского кода между передатчиком и приемником каждой крученный пары. Если тест не проходит, то порт блокируется и отключает проблемный узел от сети. Потому что кодов J и К являются запрещенными при передаче кадров, то тесту последовательности не влияют на работу алгоритма доступа к среде.

Появление между конечными узлами активного устройства, которое может контролировать работу узлов и изолировать от сети некорректно работающие, является главным преимуществом технологии 10Base-T в сравнении со сложными в эксплуатации коаксиальными сетями. Благодаря концентраторам сеть Ethernet приобрела некоторые черты отказоустойчивой системы.

Рис. 4 Структура сети стандарта 10Base-Т

Оптоволоконный Ethernet

Функционально сеть Ethernet на оптическом кабеле состоит из тех же элементов, что и сеть стандарта 10Base-T - сетевых адаптеров, многопортового повторителя и отрезков кабеля, которые соединяют адаптер с портом повторителя. Как и в случае крученной пары, для соединения адаптера с повторителем используются два оптоволокна - одно соединяет выход Тх адаптера со входом Rх повторителя, а другое - вход Rx адаптера с выходом Тх повторителя.

Стандарт FOIRL (Fiber Optic Inter-Repeater Link) являет собой первый стандарт комитета 802.3 для использования оптоволокна в сетях Ethernet. Он гарантирует длину оптоволоконной связи между повторителями до 1 км при общей длине сети не больше 2500 м. Максимальное число повторителей между любыми узлами сети - 4. Максимального диаметра в 2500 м здесь достичь можно, хотя максимальные отрезки кабеля между всеми 4 повторителями, а также между повторителями и конечными узлами недопустимые - иначе выйдет сеть длиной 5000 м.

Стандарт 10Base-FL являет собой незначительное улучшение стандарта FOIRL. Увеличена мощность передатчиков, потому максимальное расстояние между узлом и концентратором увеличилось до 2000 м. Максимальное число повторителей между узлами осталось ровным 4, а максимальная длина сети - 2500 м.

Стандарт 10Base-FB предназначен только для соединения повторителей. Конечные узлы не могут использовать этот стандарт для присоединения к портам концентратора. Между узлами сети можно установить до 5 повторителей 10Base-FB при максимальной длине одного сегмента 2000 м и максимальной длине сети 2740 м.

Как и в стандарте 10Base-T, оптоволоконные стандарты Ethernet позволяют соединять концентраторы только в деревовидные иерархические структуры. Никакие петли между портами концентраторов не допускаются.

Методика расчета конфигурации сети Ethernet

Соблюдение многочисленных ограничений, установленных для разных стандартов физического уровня сетей Ethernet, гарантирует корректную работу сети (конечно, при исправном состоянии всех элементов физического уровня).

Больше всего часто придется проверять ограничения, связанные с длиной отдельного сегмента кабеля, а также количеством повторителей и общей длиной сети. Правила «5-4-3» для коаксиальных сетей и « 4-х хабов» для сетей на основе крученной пары и оптоволокна не только дают гарантии работоспособности сети, но и оставляют большой «запас прочности» сети. Например, если посчитать время двойного оборота в сети, которая состоит из 4-х повторителей 10Base-5 и 5-ть сегментов максимальный длины 500 м, то окажется, что оно составляет 537 битовых интервалу. А потому что время передачи кадру минимальной длины, которая составляет вместе с преамбулой 72 байт, равняется 575 битовым интервалам, отмечает, что разработчики стандарта Ethernet оставили 38 битовых интервалу как запас для надежности. Однако комитет 802.3 говорит, что и 4 дополнительных битовых интервалы создают достаточный запас надежности.

Комитет IEEE 802.3 наводит выходные данные о задержках, которые вносят повторители и разные среды передачи данные, для тех специалистов, которые хотят самостоятельно рассчитывать максимальное количество повторителей и максимальную общую длину сети, не удовлетворяясь теми значениями, которые приведены в правилах «5-4-3» и « 4-х хабов». Особенно такие расчеты полезны для сетей, которые состоят из смешанных кабельных систем, например коаксиала и оптоволокна, на какие правила о количестве повторителей не рассчитанные. При этом максимальная длина каждого отдельного физического сегмента должна строго отвечать стандарту, то есть 500 м для «толстого» коаксиала, 100 м для крученный пары и так далее

Чтобы сеть Ethernet, которая состоит из сегментов разной физической природы, работала корректно, необходимо выполнение четырех основных условий:

1. количество станций в сети не больше 1024;
2. максимальная длина каждого физического сегмента не больше величины, отмеченной в соответствующем стандарте физического уровня;
3. время двойного оборота сигнала (Path Delay Value, PDV) между двумя самими отдаленными один от одного станциями сети не больше 575 битовых интервалов;
4. сокращение межкадрового интервала IPG (Path Variability Value, PW) при прохождении последовательности кадров через все повторители должно быть не больше, чем 49 битовых интервалов. Потому что при отправлении кадров конечные узлы обеспечивают начальное межкадровое расстояние в 96 битовых интервалов, то после прохождения повторителя оно должно быть не меньше, чем 96 - 49 = 47 битовых интервалов.

Соблюдение этих требований обеспечивает корректность работы сети даже в случаях, когда нарушаются простые правила конфигурации, которые определяют максимальное количество повторителей и общую длину сети в 2500 м.