Что такое Ethernet — коллизии. Как это работает

Тарифы Beeline

Реалии современного мира таковы, что компьютер, еще совсем недавно абсолютно нормально воспринимавшийся отдельно от интернета и локальных сетей в качестве самостоятельного инструмента для работы и средства развлечения, сейчас кажется неполноценным. Еще бы, ведь развитие инструментов коллективной работы (повсеместное внедрение различных корпоративных информационных систем, таких как 1C:Предприятие, ПАРУС-Предприятие 8, SAP R/3 и множества других), и развлекательных средств (появление и развитие таких явлений, как форумы, блоги, социальные сети и многого другого) привело к тому, что компьютер, не включенный в сеть, не может полностью удовлетворить потребностей пользователя.

Более того, развитие современной IP-телефонии и средств бизнес-коммуникации (в первую очередь, это электронная почта), а также IM (таких как ICQ, Агент Mail.ru, Я.Онлайн, Google Talk, Jabber и многих других) превратили современные компьютеры из изолированных систем обработки информации в средство связи.

Однако для того, чтобы все эти сложные приложения могли успешно работать, необходимо построение компьютерных сетей. И в настоящее время основной технологией для этого является Ethernet (эзернет, от лат. aether – эфир).

Стандарт технологии Ethernet описывает проводные соединения и электрические сигналы на физическом уровне, формат кадров и протоколы управления доступом к среде. В модели OSI (более крупного стандарта комплексного многоуровневого взаимодействия сетей передачи данных) Ethernet охватывает канальный уровень.

Таким образом, Ethernet определяет, как именно должна быть построена локальная сеть , какое необходимо использовать оборудование и как именно должна быть организована передача данных на уровне. Иногда можно встретить и другое название технологии Ethernet – IEEE 802.3. Этот принятый IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers – Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике, международная некоммерческая ассоциация специалистов в области техники) стандарт, который закрепляет на бумаге реализацию технологии Ethernet.

История появления технологии Ethernet

Технология Ethernet была разработана в корпорации Xerox PARC. Общепринято считать, что Ethernet был изобретён 22 мая 1973 года, когда один из инженеров, Роберт Меткалф (Robert Metcalfe), составил докладную записку для главы PARC о потенциале технологии Ethernet. Но законное право на технологию Меткалф получил через несколько лет. В 1976 году он и его ассистент Дэвид Боггс (David Boggs) издали брошюру под названием «Ethernet: Distributed Packet-Switching For Local Computer Networks», которая подробно описывала новую технологию.

Меткалф ушёл из Xerox в 1979 году и основал компанию 3Com (в настоящее время – один из мировых лидеров производства телекоммуникационного оборудования). Ему удалось убедить DEC, Intel и Xerox работать совместно и разработать стандарт Ethernet (DIX). Впервые этот стандарт был опубликован 30 сентября 1980 года. Он начал соперничество с двумя крупными запатентованными технологиями: token ring и ARCNET, – которые вскоре были похоронены под накатывающимися волнами продукции Ethernet.

Развитие сетей Ethernet

Коаксиальный кабель

Однако было бы странно, если бы технология, придуманная в далеком 1979 г., дошла до нас без серьезных изменений. Оригинальные сети Ethernet использовали коаксиальный кабель для передачи данных и предусматривали передачу данных на скорости 3Мбит/с.

Следующим этапом в развитие сетей Ethernet стало увеличение скорости передачи данных. В раннем стандарте IEEE 802.3 (еще эта технология называется 10BASE5, или «Толстый Ethernet») описана технология передачи данных с помощью коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 50 Ом (RG-8) , с максимальной длиной сегмента 500 метров.

В тоже время появляется стандарт IEEE 802.3a (другими названиями этих сетей Ethernet стали 10BASE2, или «Тонкий Ethernet»). В качестве среды для передачи данных использовался кабель RG-58, с максимальной длиной сегмента 200 метров. Компьютеры присоединялись один к другому, для подключения кабеля к сетевой карте был нужен T-коннектор, а на кабеле должен был быть BNC-коннектор. Кроме того, требовалось наличие терминаторов на каждом конце кабеля. Именно эта технология получила большое коммерческое распространение и нашла себе широкое применение в сетях того времени.

Витая пара

Однако применение коаксиального кабеля имело массу недостатков. Поэтому было решено использовать в качестве среды передачи данных витую пару – кабель, представляющий собой одну или несколько пар изолированных проводников, скрученных между собой и покрытых общей пластиковой оболочкой.

Основными причинами перехода на витую пару были:

  • возможность работы в дуплексном режиме;
  • низкая стоимость витой пары;
  • более высокая надёжность сетей при неисправности в кабеле;
  • возможность питания по кабелю маломощных узлов, например IP-телефонов (стандарт Power over Ethernet, POE);
  • отсутствие гальванической связи (прохождения тока) между узлами сети. При использовании коаксиального кабеля в российских условиях, где, как правило, отсутствует заземление компьютеров, применение коаксиального кабеля часто сопровождалось пробоем сетевых карт, и иногда даже полным «выгоранием» системного блока, поэтому это свойство витой пары было особенно востребовано.

Несмотря на то, что теоретически возможно подключение к одному кабелю (сегменту) витой пары более двух устройств, работающих в симплексном режиме, такая схема никогда не применяется для Ethernet. Поэтому, все сети на витой паре используют топологию «звезда», в то время как, сети на коаксиальном кабеле построены на топологии «шина». Терминаторы для работы по витой паре встроены в каждое устройство, и применять дополнительные внешние терминаторы в линии не нужно.

Таким образом, появился стандарт StarLAN 10, который в дальнейшем эволюционировал в стандарт IEEE 802.3i (также известен, как 10BASE-T). Для передачи данных в этом стандарте используется 4 провода кабеля витой пары (две скрученные пары) категории-3 или категории-5. Максимальная длина сегмента 100 метров. Этот стандарт так же получил коммерческое распространение, однако вскоре был заменен более быстрым потомком.

Fast Ethernet

Этот потомок получил общепринятое название Fast Ethernet, а технология – IEEE 802.3u (100BASE-TX). В этом стандарте задействована витая пара категории 5 и фактически используются только две неэкранированные пары проводников. Поддерживается дуплексная передача данных, расстояние между устройствами до 100 м. Именно этот стандарт получил в настоящее время максимальное распространение. Более того, упоминая сети Ethernet, чаще всего имеется в виду именно эта реализация этой технологии.

Gigabit Ethernet

Однако дальнейшее развитие сетей Ethernet не закончилось, и следующим его этапом стало появление стандарта, получившего название Gigabit Ethernet. Основное достижение – это увеличение скорости передачи данных до 1 Гбит/с.

Для этого была разработана технология IEEE 802.3ab (1000BASE-T), использующая витую пару категорий 5e. В передаче данных участвуют все 4 пары. Скорость передачи данных – 250 Мбит/с по одной паре.

Несмотря на то, что большинство существующих сетей используют Fast Ethernet, этот стандарт постепенно вытесняет более современный Gigabit Ethernet.

10 Gigabit Ethernet

Несмотря на то, что стандарт Gigabit Ethernet еще только начал свое внедрение, прогресс не стоит на месте, и уже разработан стандарт, который придет ему на смену. Как вы уже догадались, это 10 Gigabit Ethernet, со скоростью передачи данных до 10 Гбит/с.

Недавно принятая технология, IEEE 802.3an-2006 (10GBASE-T), использует экранированную витую пару и предназначена для передачи данных на расстояниях до 100 метров.

100 Gigabit Ethernet

Хотя 10 Gigabit Ethernet еще не получи широкого распространения, уже ведутся разработки следующего стандарта.

Оптоволокно

Помимо витой пары, стандарт Ethernet предусматривает также передачу данных через оптоволокно. Этот способ передачи данных позволяет строить существенно более длинные линии и используется для организации магистральных высокоскоростных каналов связи.

Немного о скорости передачи данных в сетях

Следует напомнить немного о скорости передачи данных в сетях. Первое, о чем нельзя забывать, – это разница между битами и байтами. Как известно, в одном бите содержится 8 байт, а это означает, что максимальная скорость передачи данных в стандарте Gigabit Ethernet составляет 1000/8=125 Мб/c.

Вторая особенность, это то, что когда мы говорим о скорости передачи данных, то мы часто имеем в виду скорость передачи полезной информации (например, скорость копирования файлов). Однако в контексте канального уровня OSI (о нем была речь в начале) всегда упоминается общая скорость передачи данных, которая не учитывает разбиения на полезную и служебную информацию. Трудно точно сказать заранее, какое может быть соотношение полезной и служебной информации (а от этого зависит скорость передачи полезной информации). Однако вряд ли служебной информации будет больше, чем полезной и поэтому для определения средней скорости передачи полезной информации можно просто поделить общую скорость в байтах в два раза. Таким образом, для Gigabit Ethernet это будет 62.5 Мб/c.

Кроме того, не стоит забывать о том, что максимальна общая скорость передачи информации зависит от возможностей всех участвующих в передаче устройств. Так, подобно тому, как скорость эскадры определяется скоростью самого медленного корабля, медленное устройство может сильно уменьшить скорость передачи данных. Поэтому для достижения наилучших результатов убедитесь, что все устройства-участники передачи данных способны работать на выбранных скоростях.

Ethernet — самый распространённый международный стандарт локальных сетей (несколько миллионов сетей с этой технологией по всему миру).

Разработкой стандартов локальных сетей занимаются рабочие группы IEEE (Institute of Elecrical and Electronics Engineers — Институт инженеров электротехники и электроники) — международная некоммерческая ассоциация специалистов в области техники, мировой лидер в области разработки стандартов по радиоэлектронике и электротехнике. Эта общественная некоммерческая ассоциация профессионалов ведет свою историю с 1884 года, объединяет 380,000 индивидуальных членов из 150 стран (25% членов проживают вне США).

Ethernet — это не один, а целое семейство стандартов, имеющих разные пользовательские характеристики.

Если за основу сравнения этих стандартов взять скорость передачи данных и максимально возможное расстояние между двумя узлами (диаметр сети), то получим такую сравнительную таблицу:

Сначала рассмотрим принцип построения локальных сетей на основе исторически первого варианта Ethernet (10 Мбит/с), который появился в конце 70–х годов как стандарт трёх компаний — Digital, Intel, Xerox.

Эта технология, как и технологии Fast Ethernet, Gigabit Ethernet основана на понятии разделяемой среды : каждый узел получает всё, что передаётся по сети; передачу выполняет только один узел, остальные ждут паузы для начала собственной передачи.

В основе технологии 10G Ethernet положен другой принцип: информация не “разбрасывается” по всей сети, а целенаправленно “проталкивается” от узла к узлу по направлению к пункту назначения. За продвижение данных в такой сети отвечают маршрутизаторы . Они определяют соседний узел, в который нужно передвинуть информационный пакет для приближения его к пункту назначения. Такие сети называются сетями с коммутацией пакетов .

Ethernet

На рисунке показана схема сети Ethernet на коаксиальном кабеле. Сегмент кабеля на концах оборудован терминаторами (“заглушками”) для поглощения распространяемого сигнала (на рисунке терминаторы нарисованы чёрными квадратиками).

Кабель при помощи Т-образного разъёма соединяет между собой сетевые адаптеры компьютеров.

Принцип работы

Любой участник может послать в сеть сообщение, но только тогда, когда в ней “тихо” — нет другой передачи.

Например, узел 2 (см. рисунок выше) слушает сеть, и стартует передачу, начиная её адресами отправителя и получателя (“компьютер 2 передаёт сообщение для компьютера 4”).

Передача распространяется по кабелю в обе стороны (поглощаясь терминаторами на концах), и все участники слышат её (в том числе и сам отправитель).

Все, кроме компьютера 4, игнорируют передаваемые данные, обнаружив чужой адрес получателя, а компьютер 4 принимает данные полностью.

Понятно, что при таком способе передачи нельзя допустить длительного захвата сети одним узлом. Если компьютер 2 задумает переслать компьютеру 4 большой файл, все остальные сетевые участники не скоро получат возможность начать передачу.

В силу этой причины сообщения передаются разделёнными на пакеты (в технологии Ethernet они называются кадрами ). Длина пакета лежит в диапазоне от 64 до 1518 байтов.

Передав один пакет, узел на некоторое время прерывает работу, и если в сети “тихо”, отправляет следующий пакет. Но паузой может воспользоваться другой узел и начать свой сеанс передачи. Таким образом, все узлы разделяют одну среду (кабель), имея равные возможности для посылки в сеть информационных пакетов.

MAC-адреса

Узлы в сети Ethernet адресуются при помощи 6-байтового двоичного числа, называемого MAC-адресом (Media Access Control — управление доступом к носителю).

Обычно MAC-адрес записывают в виде шести пар шестнадцатеричных цифр, разделённых тире или двоеточиями, например, 10:A1:17:3D:56:AF .

О компьютерной арифметике рассказывает теоретический материал к зачётам с номером 2 во втором и третьем уроках этой книги.

Уникальный MAC-адрес “зашивается” в сетевой адаптер при его изготовлении. Он не может совпадать ни с каким другим MAC-адресом в мире и не может меняться во время эксплуатации устройства.

Распределением MAC-адресов между производителями оборудования занимается международная некоммерческая организация IEEE (Institute of Elecrical and Electronics Engineers — Институт инженеров электротехники и электроники).

MAC-адрес состоит из 48 бит, таким образом, адресное пространство насчитывает 2 48 (или 281 474 976 710 656) адресов. Согласно подсчётам IEEE, этого запаса адресов хватит, по меньшей мере, до 2100 года.

Коллизии

Компьютер 1 послушал сеть (свободна!) и начал передачу пакета:

Сигнал не успел дойти до компьютера 5, когда тот тоже начал передачу, решив что сеть свободна:

Понятно, что через некоторое время в сети произойдёт наложение сигналов. Такая ситуация называется коллизией .

Когда передающая станция обнаружит несовпадение переданного в сеть сигнала с полученным из сети, она фиксирует коллизию и обрывает передачу пакета согласно протоколу Ethernet.

И компьютер 1, и компьютер 5 обрывают передачу, обнаружив коллизию.

Коллизия в сети Ethernet не является исключительным событием — это обычная рабочая ситуация.

Вопрос в том, как долго ждать узлу, чтобы попытаться вновь передать в сеть испорченный коллизией пакет? Если ждать фиксированный промежуток времени, то коллизия со 100% вероятностью возникнет вновь (компьютеры 1 и 5 одновременно возобновят передачу, если одновременно прервали её из-за коллизии).

В протоколе Ethernet пауза после обнаружения коллизии выбирается из интервала от 0 до 52,4 мс случайным образом.

Как это не покажется странным, именно случайная пауза после коллизии обеспечивает работоспособность сети Ethernet. Этот простейший механизм обработки коллизий был предложен в далёких 70–х годах и успешно работает до сих пор!

Диаметр сети

Что произойдёт, если кабель длинный, а пакет маленький?

Коллизия может возникнуть после того, как узел завершит передачу пакета.

На рисунке показана именно такая ситуация. Коллизия происходит, когда узел 1 закончил передачу пакета:

Такая коллизия называется поздней . При поздней коллизии пакет пропадает безвозвратно (узел 1 считает, что передача пакета произошла успешно и удаляет его из своей буферной памяти).

Для нормальной работы сети необходимо, чтобы передающая станция могла обнаружить коллизию до того, как закончит передачу пакета в сеть. Такая коллизия называется ранней . При ранней коллизии узел передаёт испорченный пакет заново после случайной паузы.

Для предотвращения поздних коллизий приходится ограничивать длину кабеля величиной, при которой время передачи пакета наименьшей длины (64 байт) было бы больше удвоенного времени прохождения сигнала по всей длине кабеля.

Почему в расчёт берётся удвоенная длина кабеля?

Пусть узел 1, расположенный на одном конце кабеля, начал передачу пакета. Передача должна продолжаться всё время, за которое первый переданный сигнал достигнет узла 5 на противоположном конце кабеля и вернётся назад, искажённый коллизией (ведь может случиться, что узел 5 начнёт свою передачу за мгновение до прихода к нему сигнала от узла 1). То есть необходимо учитывать прохождение сигнала по удвоенной длине кабеля.

Ограничение диаметра сети Ethernet величиной 2 500 м как раз и основано на расчёте такой длины кабеля, при которой в сети не могла бы возникнуть поздняя коллизия, даже при передаче самого короткого пакета между двумя крайними станциями. Стандарт называет величину 2 500 м с хорошим запасом (более чем в три раза).

При передаче сигнала по кабелю возникает его ослабление (затухание). Приходится делить кабель на сегменты и соединять их между собой повторителями .

Повторитель (repeater) — это простое электронное устройство (без всякого программного обеспечения), которое усиливает сигнал при передаче его из одного сегмента кабеля в другой.

На рисунке показана сеть, в которой кабель состоит из трёх сегментов, соединённых двумя повторителями:

Для разного типа кабеля стандарт определяет разные величины для максимальной длины сегмента:

Стандарты физической среды

В зависимости от типа используемого кабеля, технология Ethernet предусматривает несколько вариантов стандарта, основанных на свойствах физической среды передачи данных.

  • 10Base-5 — коаксиальный кабель диаметром 0,5 дюйма, называемый “толстым”.
  • 10Base-2 — коаксиальный кабель диаметром 0,25 дюйма, называемый “тонким”.
  • 10Base-T — неэкранированная витая пара.
  • 10Base-F — волоконно-оптический кабель.

Число 10 в указанных обозначениях обозначает битовую скорость передачи в этих стандартах — 10 Мбит/с.

Стандарт 10Base-5

В качестве передающей среды используется коаксиальный кабель диаметром 0,5 дюйма.

Кабель такой “толстый”, что в отличие от стандарта 10Base-2 (с кабелем диаметра 0,25 дюйма), его сложно подсоединять непосредственно к сетевому адаптеру компьютера. Поэтому “толстый” коаксиал соединяют с адаптером при помощи трансивера и дополнительного соединительного шнура на витых парах (длиной до 50 м).

Трансивер — это не просто механический соединитель (как Т-образный разъем для тонкого коаксиала). Фактически, трансивер — это часть сетевого адаптера, вынесенного прямо на кабель. С кабелем трансивер обычно соединяется методом прокалывания.

Сети по этому стандарту строятся по топологии общая шина, которую иллюстрируют все приведенные выше рисунки. Кабель делится на сегменты, длиной не более 500 метров. Сегменты соединяются между собой повторителями.

К одному сегменту допускается подключение не более 100 станций, причём подключение выполняется в специально промаркированных точках на кабеле (маркеры располагаются через каждые 2,5 м).

Стандарт разрешает использовать в сети не более 4 повторителей и, соответственно, не более 5 сегментов кабеля (получается, что максимальный диаметр сети 10Base-5 не превышает 2500 м).

Только 3 сегмента из 5 могут быть нагруженными (с подключёнными рабочими станциями). Между нагруженными сегментами должны быть ненагруженные. Максимальная конфигурация сети 10Base-5 показана на рисунке:

Говорят, что сеть Ethernet 10Base-5 строится по правилу 5–4–3 : пять сегментов, четыре повторителя, три нагруженных сегмента.

Так как одно подсоединение к кабелю в сегменте занято повторителем, то для рабочих станций остаётся 99 кабельных маркеров. Таким образом, в такой сети может работать 99 х 3 = 297 компьютеров.

Стандарт 10Base-2

В качестве передающей среды используется коаксиальный кабель диаметром 0,25 дюйма, более дешёвый, но имеющий худшие характеристики.

Топология: общая шина.

Ниже показан вид Т-образного разъёма. Он подключается к сетевой карте и соединяет фрагменты кабеля:

По-прежнему работает правило 5–4–3: пять сегментов, четыре повторителя, три нагруженных сегмента.

Ниже приводится сравнительная таблица стандартов, основанных на “толстом” и “тонком” коаксиальном кабеле.

Стандарт 10Base-T

Среда передачи — две неэкранированные витые пары, то есть 4 проводника, скрученных попарно между собой. Одна пара работает на приём, другая на передачу.

Соединение узлов топологически выглядит как звезда, в центре которой расположен хаб (hub, буквально — ступица колеса). Другие названия хаба: многопортовый повторитель , концентратор .

Сетевой кабель подсоединяется к хабу при помощи портов (соединительных разъёмов):

На рисунке показана сеть с хабом, у которого четыре порта. К каждому порту подсоединён сетевой адаптер рабочей станции.

Несмотря на то, что физические соединения в изображённой сети образуют звезду, принципиально она не отличается от сети с общей шиной: хаб объединяет компьютеры общей разделяемой средой. Говорят, что физическая топология сети — звезда, логическая — общая шина.

Сигнал, полученный с одного порта, транслируется на все другие порты (кроме порта, с которого он получен), и сеть работает по прежнему протоколу:

  1. Если в сети “тишина”, можно начать передачу пакета.
  2. Если обнаружена коллизия, нужно прекратить передачу.
  3. Через случайную паузу нужно повторить передачу испорченного пакета.

Стандарт определяет длину сегмента (длину кабеля от станции до хаба) не более 100 метров.

Сеть можно расширить, соединяя хабы между собой (при помощи тех же портов) в древовидную структуру:

Но и в этой сети по-прежнему одна разделяемая среда, то есть логически она работает, как общая шина по старому алгоритму. Говорят, что вся сеть представляет собой один домен коллизий (все узлы этой сети конкурируют за общую разделяемую среду передачи).

Построение сети в виде дерева, листья которого — рабочие станции (или сервера), а остальные узлы — хабы, удобно на практике.

Разрыв сети на отдельной ветви не мешает работе других ветвей дерева (в отличие от соединений по общей шине) и, кроме того, иерархия соединений может повторять иерархию пользователей сети или их пространственного положения.

На рисунке, расположенном ниже, приведёна схема школьной сети Ethernet в которой к корневому школьному хабу подсоединены хабы трёх компьютерных классов и две рабочих станции — один компьютер в кабинете директора, другой в учительской.

В стандарте 10Base-T работает правило 4 хабов : максимальное количество хабов между любыми двумя станциями сети не должно быть больше четырёх (иначе сеть работать не будет из-за поздних коллизий).

Общее количество станций в сети 10Base-T не должно превышать числа 1024. Это количество, прописанное в стандарте, определяет предельную нагрузку сети, при которой она ещё будет функционировать, несмотря на обилие возможных коллизий.

Ниже показан пример сети, в которой это количество станций может быть достигнуто:

Из правила 4 хабов следует, что в сети 10Base-T между любыми двумя станциями не может быть более 5 сегментов. Получается, что максимальный диаметр такой сети не превышает 5 х 100 = 500 м.

Диаметр сети может быть существенно увеличен, если в качестве соединительного устройства использовать не хаб, а коммутатор . Другие названия этого устройства: мост (bridge), переключатель (switch).

Коммутатор своими портами разбивает сеть на несколько частей, в каждой из которых — свой домен коллизий.

Происходит так потому, что коммутатор, в отличие от хаба, не транслирует полученный пакет на другие порты, если получатель находится на том же самом порту, с которого получен пакет.

Сеть 1 на рисунке построена полностью на хабах. Пакет от узла A для узла B будет распространяться хабами по всем направлениям и достигнет всех узлов этой сети. При этом передача, начатая любым другим узлом (например, C), может испортить пакет A (возникнет коллизия). Сеть 1 образует один домен коллизий.

В сети 2 корневой хаб заменён коммутатором. Пакет от узла A для узла B не будет передан коммутатором на порт 2 и не может быть причиной коллизии в подсети с хабом 2. Сеть 2 образует два домена коллизий. Правило 4 хабов будет работать отдельно для двух её частей. Получается, что сети с коммутаторами можно строить очень большого диаметра, без угроз поздних коллизий и длительного ожидания паузы для начала передачи.

А что произойдёт, когда узел A передаёт пакет для узла C в сети с коммутатором? Коммутатор обязан передать этот пакет в порт 2. Он сделает это по алгоритму работы рабочей станции. То есть дождётся тишины в этой подсети, затем начнёт передачу. Если какой то узел в подсети 2 тоже начнёт посылку, возникнет коллизия, но она останется внутренним делом второго домена и не выйдет за его пределы.

Возникает вопрос: откуда коммутатор знает, что узел B подключён к порту 1 (и пакет к нему из порта 1 не надо транслировать на другие порты), а узел C подключён к порту 2 (и пакет к нему из порта 1 надо транслировать на порт 2)?

В отличие от хаба, коммутатор обладает “интеллектом” (микропроцессором с программным обеспечением), который позволяет ему автоматически строить таблицу соответствий между узлами и портами (таблицу маршрутизации ) и использовать её при своей работе.

Рассмотрим алгоритм работы коммутатора на примере сети, изображённой на рисунке:

В начальный момент (при включении питания) таблица маршрутизации коммутатора пуста.

Пусть, узел A передаёт пакет для узла B. Пакет содержит не только адрес получателя, но и адрес отправителя. Когда пакет приходит на порт 1, коммутатор делает в таблице первую запись:

Теперь коммутатор ищет в таблице строчку для узла B, чтобы решить, что делать с пакетом: игнорировать, если B расположен на том же порту, что и A, или транслировать пакет в порт, к которому подключён B.

Строки с узлом B в таблице ещё нет. Коммутатор вынужден работать как хаб: он транслирует пакет к неизвестному адресату на все порты, кроме того порта, с которого пакет получен, то есть на порты 2 и 3.

Пусть теперь узел F передаёт пакет для узла A.

В таблице появляется новая строка:

Коммутатор находит в таблице порт получателя и передаёт пакет в порт 1.

Таким образом, заполняется таблица маршрутизации, и коммутатор, начав как обычный хаб, быстро обучается, повышая свою “квалификацию”.

Ещё большим интеллектом обладает устройство под названием маршрутизатор (другое название — роутер, от английского слова router).

Это устройство позволяет строить сети с ячеистой топологией и коммутировать в ней пакеты, выбирая наиболее рациональные маршруты.

Стандарт 10Base-F

В качестве единой разделяемой среды передачи используется оптоволоконный кабель.

Сеть 10Base-F строится по тем же правилам и из тех же элементов, что и сеть 10Base-T.

По-прежнему работает правило 4 хабов для одного домена коллизий.

Максимальная длина сегмента сети — 2000 м. Максимальный диаметр одного домена коллизий — 2500 м. Максимальное число рабочих станций в нём — 1024.

Fast Ethernet

Скорость передачи данных в сетях, построенных по этому стандарту — 100 Мбит/c.

Логика работы сетей Fast Ethernet и Ethernet совершенно одинаковая. Все отличия лежат на физическом уровне построения сети.

В 10 раз увеличилась скорость передачи сигнала, значит, в 10 раз должен уменьшиться максимальный диаметр одного разделяемого сегмента (чтобы избежать в нём поздних коллизий).

Признаком свободного состояния среды в Fast Ethernet является передача специального символа простоя источника (а не отсутствие сигнала, как в стандарте классической Ethernet).

Коаксиальный кабель исключён из списка разрешённых сред передачи. Стандарт Fast Ethernet установил три спецификации:

  • 100Base-TX — неэкранированная или экранированная витая пара (две пары в кабеле).
  • 100Base-T4 — неэкранированная витая пара (четыре пары в кабеле).
  • 100Base-FX — волоконно-оптический кабель (с двумя волокнами).

Максимальные длины для кабельных сегментов приводятся в таблице:

(Полудуплексный канал работает на передачу и приём по очереди, а дуплексный — одновременно).

Правило 4 хабов для Fast Ethernet превращается в правило одного или двух хабов (в зависимости от класса хаба).

100Base-TX

Среда передачи — 2 витых пары в одной общей оболочке.

100Base-T4

Среда передачи — 4 витых пары в одной общей оболочке.

Три пары используются для параллельной передачи сигнала со скоростью 33,3 Мбит/с (всего получается 100 Мбит/с), четвёртая пара всегда “слушает” сеть на предмет обнаружения коллизий.

100Base-FX

Среда передачи — оптоволоконный кабель с двумя волокнами.

Gigabit Ethernet

Скорость передачи данных в сетях, построенных по этому стандарту — 1000 Мбит/c.

Поддерживаются кабели, используемые в Fast Ethernet: волоконно-оптический, витая пара.

Для предотвращения поздних коллизий длина сегмента кабеля должна уменьшиться в 10 раз по сравнению со стандартом Fast Ethernet, но это было бы неприемлемо. Вместо этого в технологии Gigabit Ethernet увеличена длина минимального пакета с 64 байтов до 512 байт и, кроме того, разрешено передавать несколько пакетов подряд (общий размер — не более 8192 байт). Конечно, это увеличивает ожидание паузы для начала передачи, но на скорости 1000 Мбит/c эта задержка не слишком существенна.

Для поддержки заявленной скорости передачи, в технологии Gigabit Ethernet применяются и некоторые другие технические решения, но структура сети остаётся прежней:

  • дерево разделяемых сред;
  • для соединения узлов в одном домене коллизий используются хабы;
  • коммутаторы и маршрутизаторы соединяют домены коллизий.

10G Ethernet

Скорость передачи данных в сетях, построенных по этому стандарту — 10 000 Мбит/c.

Технология построения сети 10G Ethernet принципиально отличается от других Ethernet-технологий.

Сети 10G Ethernet — это сети с коммутацией пакетов .

Если в сетях с разделяемыми средами пакет, переданный одной станцией, поступает на все другие станции, то в коммутируемых сетях пакет следует от передающей станции к станции назначения по маршруту, который уточняется по мере продвижения пакета от одного маршрутизатора к другому.

Сеть с разделяемыми средами, построенная только на хабах и коммутаторах, должна иметь строго иерархическую структуру: на схеме соединений не должно быть циклов.

Сеть, приведённая на рисунке, имеет иерархическую структуру. Между любыми двумя узлами существует ровно один путь, например, путь от А к Б пролегает через узлы: А–2–1–3–5–Б:

На следующем рисунке показана сеть с циклом. Между узлами А и Б теперь имеются два пути: А–2–1–3–5–Б и А–5–Б:

Сети с коммутацией пакетов могут иметь ячеистую структуру, в которой между двумя станциями может существовать два и более вариантов прохождения пакета.

Ячеистые сети более надежны: если один маршрут перестаёт работать по техническим причинам, для доставки пакета выбирается другой.

Сети с коммутацией пакетов имеют бóльшую пропускную способность по сравнению с сетями на разделяемых средах (пакеты не транслируются во все стороны, а следуют строго к пункту назначения; станции передают, не дожидаясь тишины в сети).

В качестве проводящей среды в сетях 10G Ethernet используют оптоволоконный кабель и кабель с витыми парами.

Длина сегмента оптического кабеля может достигать 40 км, а длина сегмента витой пары — 100 м. Причина ограничения длины кабеля теперь не в поздних коллизиях (при коммутации пакетов коллизий не бывает), а в затухании сигнала при его прохождению по кабелю.

В рамках этой книги мы рассмотрим локальные сети, созданные с использованием наиболее популярной и распространенной в наши дни технологии - Ethernet. Данная технология появилась в 70-е годы XX века, когда инженер-исследователь из Массачусетского технологического института Билл Меткалф, сотрудничавший также с исследовательским центром компании Xerox в г. Пало-Альто, подготовил докторскую диссертацию, посвященную методикам организации компьютерных коммуникаций. Вскоре совместно со специалистами из корпораций Intel и DEC (Digital Equipment Corporation) фирма Xerox разработала на основе этой диссертации коммерческий стандарт, который и получил название Ethernet. Чуть позже, в 1980 году, стандарт Ethernet лег в основу универсальной спецификации для локальных сетей, построенных по принципу множественного доступа, определения несущей частоты и автоматического обнаружения сбоев (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection, CSMA/CD); эта спецификация, разработанная Институтом инженеров по радиотехнике и электронике (Institute of Electrical and Electronic Engineers, IEEE), получила название IEEE 802.3. Поскольку стандарты IEEE 802.3 и Ethernet крайне близки не только по своей идеологии, но и с точки зрения технической совместимости, в современной литературе их традиционно принято называть общим термином - Ethernet. Далее мы также будем придерживаться этой традиции.
Очевидно, что технология Ethernet накладывает собственные ограничения не только на архитектуру локальной сети, но и па ее технические характеристики. Причем подобные ограничения имеют несколько своеобразных логических уровней: с одной стороны, они определяют способ подключения
компьютеров к сети, с другой - подчеркивают различия между разными типами сетей по признаку используемого оборудования, типу кабеля или скорости передачи данных. Об этом мы и поговорим далее в этой главе.

В рамках стандарта Ethernet принято различать несколько типов построения распределенной вычислительной системы, исходя из ее топологической структуры. Фактически можно сказать, что топология локальной сети - это конфигурация кабельных соединений между компьютерами, выполненных по некоему единому принципу. Какая-либо конкретная топология сети выбирается, во-первых, исходя из используемого оборудования, которое, как правило, поддерживает некий строго определенный вариант организации сетевых подключений; во-вторых, на основе имеющихся требований к мобильности, масштабируемости и вычислительной мощности всей системы в целом. В ряде ситуаций возможна организация нескольких подсетей, построенных с использованием различных топологий и связанных впоследствии в единую сеть. В частности, применительно к стандарту Ethernet возможна организация локальных сетей с топологией «общая шина» или «звезда».

Топология «общая шина»

Технология построения локальной сети на основе топологии «общая шина» подразумевает последовательное соединение компьютеров в цепочку наподобие «гирлянды» с использованием специальных Т-образных разъемов (Т-коннекторов), подключаемых к соответствующему порту сетевого адаптера каждого из узлов сети. В качестве физической линии передачи данных применяется коаксиальный кабель с пропускной способностью 10 Мбит/с. Оконечности «цепочки», то есть ответвления Т-образных разъемов, к которым не подводится кабель для подсоединения к соседним компьютерам, ограничиваются специальными металлическими колпачками, создающими в сети необходимое сопротивление нагрузки, - они называются заглушками или терминаторами (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Конфигурация локальной сети с топологией «общая шина»

Следует отметить, что некогда весьма популярные локальные сети с топологией «общая шина» в настоящее время все больше и больше утрачивают свои позиции. Причина снижения их популярности вполне очевидна. Несмотря на видимую простоту прокладки и монтажа, - а для постройки такой сети необходимы лишь минимальные навыки обращения с пассатижами или паяльником - и относительную мобильность с точки зрения изменения конфигурации всей системы (ведь для того, чтобы переставить сетевой компьютер с места на место, достаточно лишь открутить и закрутить соответствующий разъем), такие сети имеют множество очевидных недостатков. И самый существенный из них - крайне низкая надежность. Достаточно произойти потере контакта в одном из терминаторов или многочисленных Т-коннекторов, что на практике случается достаточно часто, и целый сегмент локальной сети выходит из строя. В такой ситуации все сетевые компьютеры продолжают работать вполне стабильно, но неожиданно перестают «видеть» друг друга, вследствие чего системному администратору приходится последовательно проходить всю сеть, проверяя наличие контакта в разъемах, что занимает порой очень много времени. Именно поэтому топология «общая шина» идеально подходит для создания малой домашней сети «точка-точка», то есть для объединения двух компьютеров, но в случае более сложной и разветвленной сетевой структуры следует поразмыслить о возможности использования иной конфигурации.

Топология «звезда»

Альтернативой топологии «общая шина» в сетях Ethernet является звездообразная конфигурация локальной сети (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Конфигурация локальной сети с топологией «звезда»

В этом случае компьютеры соединяются между собой не последовательно, а параллельно, то есть каждый из узлов сети подключается собственным
отрезком провода к соответствующему порту некоего устройства, называемого концентратором, или хабом (от англ. hub - центр). В качестве линии передачи данных используется специальный неэкранированный кабель «витая пара» (twisted pair), который обеспечивает соединение со скоростью до 10 Мбит/с. Посредством «витой пары» возможна также организация сети из двух компьютеров по принципу «точка-точка», при этом машины можно подключать друг к другу напрямую, без использования концентратора, однако порядок монтажа контактов в разъемах сетевого шнура в этом случае несколько отличается от стандартного.
Преимущества топологии «звезда» по сравнению с «общей шиной» заключаются в более высокой надежности и отказоустойчивости локальной сети, в ней значительно реже возникают «заторы», да и конечное оборудование работает по «витой паре» на порядок быстрее. При этом в случае выхода из строя одного из узлов сети вся остальная система продолжает работать стабильно: полный отказ такой локальной сети происходит только при поломке концентратора. Безусловно, организация сетевой системы на основе топологии «звезда» требует значительно больших финансовых затрат, но они целиком и полностью оправдываются, когда речь заходит о необходимости обеспечить надежную связь между работающими в сети компьютерами.

Классы сетей Ethernet

Прежде чем мы перейдем к непосредственному рассмотрению принципов организации локальной сети, необходимо сказать несколько слов о технологических классах, на которые делятся сети стандарта Ethernet. Данные классы различаются, прежде всего, пропускной способностью линий, типом используемого кабеля, топологией и некоторыми иными характеристиками. Каждый из классов сетей Ethernet имеет собственное обозначение, отражающее его технические характеристики, такое обозначение имеет вид XBase/BroadY, где X - пропускная способность сети, обозначение Base или Broad говорит о методе передачи сигнала - основополосный (baseband) или широкополосный (broadband), и, наконец, число У отображает максимальную длину сегмента сети в сотнях метров, либо обозначает тип используемого в такой системе кабеля, который и накладывает ограничения на максимально возможное расстояние между двумя узлами сети, исходя из собственных технических характеристик. Например, сеть класса 10Base2 имеет пропускную способность 10 Мбит/с, использует метод передачи данных baseband и допускает максимальную длину сегмента в 200 м. Далее мы рассмотрим несколько существующих классов сетей Ethernet и поговорим об их особенностях и возможностях.

Класс 10Base5 (Thick Ethernet)

Класс 10Base5, который также иногда называют «толстым Ethernet», - это один из наиболее старых стандартов локальных сетей. Сегодня уже очень трудно отыскать в продаже оборудование этого типа, тем более трудно найти действующую сеть, работающую с данным типом устройств.
Сети стандарта 10Base5 использовали топологию «общая шина» и создавались на основе коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 50 Ом и пропускной способностью 10 Мбит/с. Общая шина локальной сети ограничивалась с обеих сторон терминаторами, однако помимо Т-коннекторов в подобных системах использовались специальные устройства, получившие общее название «трансиверы», которое произошло от совмещения английских понятий transmitter (передатчик) и receiver (приемник). Собственно, трансиверы являлись приемниками и передатчиками данных между работающими в сети компьютерами и самой сетью (рис. 3.3). Помимо функций собственно приемника-передатчика информации, трансиверы обеспечивали надежную электроизоляцию работающих в сети компьютеров, а также выполняли функции устройства, снижающего уровень посторонних электростатических помех. Максимальная длина коаксиального кабеля, протянутого между трансивером и сетевым адаптером компьютера (трансиверного кабеля) в таких сетях может достигать 25 м, максимальная длина одного сегмента сети (отрезка сети между двумя терминаторами) - 500 м, а минимальное расстояние между точками подключения - 2,5 м. Всего в одном сегменте сети 10Base5 может работать не более 100 компьютеров, при этом количество совместно работающих сегментов сети не должно превышать пяти.

Рис. 3.3. Конфигурация локальной сети класса 10Base5

Класс 10Base2

Локальные сети, относящиеся к классу 10Base2, который также иногда называют Thin Ethernet, являются прямыми «наследницами» сетей 10Base5. Как и в предыдущем случае, для соединения компьютеров используется тонкий экранированный коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50 Ом, оснащенный Т-коннекторами и терминаторами, однако в такой конфигурации Т-коннекторы подключаются к разъему сетевой карты напрямую, без использования каких-либо промежуточных устройств (рис. 3.1). Соответственно, такая сеть имеет стандартную конфигурацию «общая шина». Максимальная длина одного сегмента сети 10Base2 может достигать 185 м, при этом минимальное расстояние между точками подключения составляет 0,5 м. Наибольшее число компьютеров, подключаемых к одному сегменту такой сети, не должно превышать 30, максимально допустимое количество сегментов сети составляет 5. Пропускная способность данной сети, как это следует из обозначения ее класса, составляет 10 Мбит/с.

Класс 10BaseT (Ethernet на «витой паре»)

Одним из наиболее распространенных сегодня классов локальных сетей Ethernet являются сети 10BaseT. Как и стандарт 10Base2, такие сети обеспечивают передачу данных со скоростью 10 Мбит/с, однако используют в своей архитектуре топологию «звезда» и строятся с применением специального кабеля, называемого twisted pair, или «витая пара» (рис. 3.2). Фактически витая пара представляет собой восьмижильиый провод, в котором для обмена информации по сети используется лишь две пары проводников: одна - для приема сигнала, и одна - для передачи. В качестве центрального звена в звездообразной структуре локальной сети 10BaseT применяется специальное устройство, называемое хабом, или концентратором. Для построения распределенной вычислительной системы, состоящей из нескольких сетевых сегментов, возможно подключение нескольких хабов в виде каскада, либо присоединение через хаб к сети 10BaseT локальной сети другого класса (рис. 3.4), однако следует учитывать то обстоятельство, что общее число точек подключения в такой системе не должно превышать 1024.
Максимально допустимое расстояние между узлами сети 10BaseT составляет 100 м, но можно сказать, что это значение взято скорее из практики построения таких сетей, поскольку стандарт 10BaseT предусматривает иное ограничение: затухание сигнала на отрезке между приемником и источником не должно превышать порога в 11,5 децибела. Именно данный класс локальных сетей наравне с 10Base2 будет подробно рассматриваться далее на страницах этой книги.

Рис. 3.4. Пример реализации многосегментной локальной сети Ethernet

Класс10BaseF (Fiber Optic)

К классу10BaseF (другое название - Fiber Optic) принято относить распределенные вычислительные сети, сегменты которых соединены посредством магистрального оптоволоконного кабеля, длина которого может достигать 2 км. Очевидно, что в силу высокой стоимости такие сети используются в основном в корпоративном секторе рынка и по карману они достаточно крупным предприятиям, располагающим необхрдимыми средствами для организации подобной системы.
Сеть10BaseF имеет звездообразную топологию, которая, однако, несколько отличается от архитектуры, принятой для сетей 10BaseT (рис. 3.5).

Рис. 3.5. Конфигурация локальной сети класса10BaseF

Компьютеры каждого сегмента такой сети подключаются к хабу, который, в свою очередь, соединяется с внешним трансивером сети10BaseF посредством специального коммуникационного шнура, подключаемого к 15-контактному разъему AUI (Attachment Unit Interface). Задача трансивера состоит в том, чтобы, получив из своего сегмента сети электрический сигнал, трансформировать его в оптический и передать в оптоволоконный кабель. Приемником оптического сигнала является аналогичное устройство, которое превращает его в последовательность электрических импульсов, направляемых в удаленный сегмент сети.
Преимущества оптических линий связи перед традиционными неоспоримы. Прежде всего диэлектрическое волокно, используемое в оптоволоконных кабелях в качестве волноводов, обладает уникальными физическими свойствами, благодаря которым затухание сигнала в такой линии крайне мало: оно составляет величину порядка 0,2 дБ на километр при длине волны 1,55 мкм, что потенциально позволяет передавать информацию на расстояния до 100 км без использования дополнительных усилителей и ретрансляторов. Кроме того, в оптических линиях связи частота несущего сигнала достигает 1014 Гц, а это означает, что скорость передачи данных по такой магистрали может составлять 1012бит в секунду. Если принять во внимание тот факт, что несколько световых волн может одновременно распространяться в световоде в различных направлениях, то эту скорость можно значительно увеличить, организовав между конечными точками оптоволоконного кабеля двунаправленный обмен данными. Другой способ удвоить пропускную способность оптической линии связи заключается в одновременной передаче по оптоволокну нескольких волн с различной поляризацией. Фактически можно сказать, что на сегодняшний день максимально возможная скорость передачи информации по оптическим линиям пока еще не достигнута, поскольку достаточно жесткие ограничения на «быстродействие» подобных сетей накладывает конечное оборудование. Оно же «ответственно» и за относительно высокую стоимость всей системы в целом, поскольку диэлектрический кварцевый световод сам по себе значительно дешевле традиционного медного провода. В завершение можно упомянуть и тот факт, что оптическая линия в силу естественных физических законов абсолютно не подвержена воздействию электромагнитных помех, а также обладает существенно большим ресурсом долговечности, чем линия, изготовленная из стандартного металлического проводника.

Классы 100BaseT, 100BaseTX, 100ВаsеТ4 и 100BaseFX

Класс локальных сетей 100BaseT, называемый также Fast Ethernet, появился относительно недавно: он был создан в 1992 году группой разработчиков,
азываемой Fast Ethernet Alliance (FEA). Фактически Fast Ethernet явля-тся «наследником» сетей стандарта 10BaseT, однако в отличие от них по-воляет передавать данные со скоростью до 100 Мбит/с. "ак же как и сети 10BaseT, локальные сети Fast Ethernet имеют звездооб-азную топологию и могут быть собраны с использованием кабеля различ-ых типов, наиболее часто применяемым из которых является все та же ресловутая витая пара. В 1995 году данный стандарт был одобрен Инсти-утом инженеров по радиотехнике и электронике (Institute of Electrical and electronic Engineers, IEEE) и вошел в спецификацию IEEE 802.3 (это рас-шрение спецификации получило обозначение IEEE 802.3u), обретя тем 1мым официальный статус.
Поскольку класс сетей 100BaseT является прямым потомком класса OBaseT, в таких системах используются стандартные для Ethernet прото-элы передачи данных, а также стандартное прикладное программное обес-ечение, предназначенное для администрирования локальной сети, что зпа->1телыго упрощает переход от одного типа сети к другому. Предполагается, го в не столь отдаленном будущем эта технология вытеснит большинство дцествующих на сегодняшний день «устаревших» стандартов, оскольку в процессе разработки данной спецификации одной из основных дач являлось сохранение совместимости новой разновидности локальных:тей с различными типами кабеля, используемого в сетях старого образца, >1ло создано несколько модификаций стандарта Fast Ethernet. Технология)0BaseTX подразумевает использование стандартной витой пары пятой ггегории, в которой задействовано только четыре проводника из восьми веющихся: два - для приема данных, и два - для передачи. Таким образом, ;ети обеспечивается двунаправленный обмен информацией и, кроме того, тается потенциальная возможность для дальнейшего наращивания произво-ггельности всей распределенной вычислительной системы. В сетях 100BaseT4 кже используется витая пара, однако в пей задействованы все восемь жил юводника: одна пара работает только на прием данных, одна - только t передачу, а оставшиеся две обеспечивают двунаправленный обмен инфор-щией. Поскольку технология 100BaseT4 подразумевает разделение всех анодируемых по сети данных на три независимых логических канала (прием, редача, прием-передача), пропорционально уменьшается частота сигнала, о позволяет прокладывать такие сети с использованием менее качествен-то и, следовательно, более дешевого кабеля 3 или 4 категории, наконец, последний стандарт в семействе Fast Ethernet носит наименование 100BaseFX. Предназначен он для работы с оптоволоконными линиями связи.
Максимальная длина одного сегмента в сетях 100BaseT (кроме подкласса 100BaseFX) не превышает 100 м, в качестве конечного оборудования используются сетевые адаптеры и концентраторы, поддерживающие этот стандарт. Существуют также универсальные сетевые адаптеры 10BaseT/ 100BaseT. Принцип их работы состоит в том, что в локальных сетях этих двух классов используются одинаковые линии с одним и тем же типом разъемов, а задача автоматического распознавания пропускной способности каждой конкретной сети (10 Мбит/с или 100 Мбит/с) возлагается на протокол канального уровня, являющийся частью программного обеспечения самого адаптера. Алгоритм работы такого устройства можно проиллюстрировать на простом примере. При включении компьютера, оснащенного сетевым адаптером 10BaseT/100BaseT, последний выдает в сеть сигнал, информирующий другие сетевые устройства о том, что он способен поддерживать скорость передачи данных до 100 Мбит/с. Если оборудование локальной сети (например, хаб, к которому подключен данный компьютер) обеспечивает аналогичную скорость соединения, оно генерируют ответный сигнал, после чего адаптер продолжает работать в режиме 100BaseT. Если отклика не поступает, сетевая карта автоматически переходит в режим передачи данных со скоростью 10 Мбит/с, то есть переключается на работу в стандарте 10BaseT.
Несмотря на все преимущества спецификации 100BaseT, такие сети по сравнению с более старыми реализациями Ethernet не лишены и ряда недостатков, унаследованных ими от своего прародителя - стандарта 10BaseT. Прежде всего в моменты пиковой нагрузки, то есть в случае возникновения ситуации, при которой к ресурсам сети одновременно обращается более 50% всех узлов, на линии образуется хорошо знакомый пользователям 10BaseT «затор» - другими словами, сеть начинает заметно «тормозить». И во-вторых, если в распределенной вычислительной системе применяется комбинированная технология (одна часть сети работает со стандартом 10BaseT, другая - со стандартом 100BaseT), высокая скорость соединения будет возможна только на участке, поддерживающем пропускную способность в 100 Мбит/с. Поэтому даже если ваш компьютер оснащен сетевым адаптером 100BaseT, при обращении к удаленному узлу, оборудованному сетевой картой 10BaseT, скорость соединения не превысит 10 Мбит/с.

Класс1000BaseT (Gigabit Ethernet)

Чем быстрее растут вычислительные мощности современных персональных компьютеров, тем больше становится среднестатистический объем обрабатываемых с их помощью файлов. Соответственно возникает потребность в пропорциональном увеличении пропускной способности линий связи. В итоге это заметно ускорило процесс эволюции сетевых технологий: не успел окончательно прижиться стандарт 100BaseT, как ему на смену подоспел новый класс локальных сетей, позволяющих передавать информацию со скоростью до гигабита в секунду. Эти сети получили обозначение1000BaseT и альтернативное название Gigabit Ethernet.
В архитектуре сетей1000BaseT используется топология «звезда» на базе высококачественного кабеля «витая пара» категории 5, в котором задействованы все восемь жил, причем каждая из четырех пар проводников используется как для приема, так и для передачи информации. По сравнению с технологией 100BaseT, несущая частота в сетях1000BaseT увеличена вдвое, благодаря чему достигается десятикратное увеличение пропускной способности линии связи. При переходе от стандарта 10BaseT или 100BaseT к 1 OOOBaseT особые требования предъявляются к качеству монтажа сетевых розеток и разъемов: если сеть проложена в полном соответствии с существующими стандартами, она, скорее всего, сможет обеспечить требуемую скорость передачи данных, если же монтаж был выполнен с отклонениями от требований спецификации Ethernet, возникающие в соединениях помехи не позволят добиться расчетных характеристик. Как и в более ранних классах сетей XBaseT, длина одного сегмента Gigabit Ethernet не должна превышать 100 м.
Стандарт1000BaseT был официально подтвержден Институтом инженеров по радиотехнике и электронике (Institute of Electrical and Electronic Engineers, IEEE) в 1999 году, и включен в спецификацию IEEE 802.3. В настоящее время оборудование для данного типа сетей выпускается несколькими независимыми производителями компьютерного «железа».

Устройства switch в сетях 10BaseT

Одновременно с разработкой новых, более высокоскоростных технологий передачи данных, перед производителями компьютерного оборудования по-прежнему стояла задача найти какие-либо способы увеличения производительности локальных сетей Ethernet старого образца, минимизировав при этом как финансовые затраты на приобретение новых устройств, так и технологические затраты на модернизацию уже имеющейся сети. Поскольку класс 10Base2 был единодушно признан всеми разработчиками «вымирающим», эксперты сосредоточились на технологии 10BaseT. И подходящее решение вскоре было найдено.
Как известно, стандарт Ethernet подразумевает использование алгоритма широковещательной передачи информации. Это означает, что в заголовке любого пересылаемого по сети блока данных присутствует информация
о конечном получателе этого блока, и программное обеспечение каждого компьютера локальной сети, принимая такой пакет, всякий раз анализирует его содержимое, пытаясь «выяснить», стоит ли передать данные протоколам более высокого уровня (если принятый блок информации предназначен именно этому компьютеру) или ретранслировать его обратно в сеть (если блок данных направляется на другую машину). Уже одно это заметно замедляет работу всей локальной сети. А если принять во внимание тот факт, что устройства, используемые в качестве центрального модуля локальных сетей с топологией «звезда» - концентраторы, или хабы - обеспечивают не параллельную, а последовательную передачу данных, то мы обнаруживаем еще одно «слабое звено», которое не только снижает скорость всей системы, но и нередко становится причиной «заторов» в случаях, когда, например, на один и тот же узел одновременно отсылается несколько потоков данных от разных компьютеров-отправителей. Если возложить задачу первоначальной сортировки пакетов на хаб, то эту проблему можно было бы частично решить. Что и было проделано. Так появилось на свет устройство, впоследствии названное switch, или коммутатор. Switch полностью заменяет в структуре локальной сети 10BaseT хаб, да и выглядят эти два устройства практически одинаково, однако принцип работы коммутатора имеет целый ряд существенных различий. Основное различие заключается в том, что встроенное в switch программное обеспечение способно самостоятельно анализировать содержимое пересылаемых по сети блоков данных и обеспечивать прямую передачу информации между любыми двумя из своих портов независимо от всех остальных портов устройства. Давайте проиллюстрируем эту ситуацию на простом примере (рис. 3.6). Предположим, у нас имеется switch, оснащенный 16 портами. К порту 1 подключен компьютер А, который передает некую последовательность данных компьютеру С, присоединенному к 16-му порту. В отличие от хаба, получив этот пакет данных, switch не ретранслирует его по всем имеющимся в его распоряжении портам в надежде, что рано или поздно он достигнет адресата, а проанализировав содержащуюся в пакете информацию, передает его непосредственно на 16-й порт. В то же самое время на порт 9 коммутатора приходит блок информации из другого сегмента локальной сети 10BaseT, подключенного к устройству через собственный хаб. Поскольку этот блок адресован компьютеру В, он сразу отправляется на порт 3, к которому тот присоединен. Следует понимать, что эти две операции switch выполняет одновременно и независимо друг от друга. Очевидно, что при наличии 16 портов мы можем одновременно направлять через switch 8 пакетов данных, поскольку порты задействуются парами. Таким образом, суммарная пропускная способность данного устройства составит 8 х 10 = 80 Мбит/с,
что существенно ускорит работу сети, в то время как на каждом отдельном подключении сохранится стандартное значение 10 Мбит/с. Другими словами, при использовании коммутатора мы уменьшаем время прохождения пакетов через сетевую систему, не увеличивая фактическую скорость соединения.

Рис. 3.6. Принцип работы устройства switch

Репитеры (повторители)

Ранее уже упоминалось о том, что в локальных сетях любого класса предусмотрены жесткие ограничения на длину участка сети между двумя точками подключения. Данные ограничения связаны, прежде всего, с коэффициентом затухания сигнала в линии передачи данных, который не должен превышать определенного порогового значения: в противном случае уверенный прием информации станет невозможен. Больше всего в этом случае выигрывают сети, построенные с применением линий из оптического волокна. Поскольку коэффициент затухания в этой среде очень мал, оптоволоконный кабель можно прокладывать на значительные расстояния без потери качества связи. Вместе с тем, упомянутый способ объединения удаленных сегментов LAN в единую систему достаточно дорог. Как быть, если на каком-либо предприятии эксплуатируется стандартная локальная сеть с пропускной способностью в 10 Мбит/с, отдельные участки которой, например сеть бухгалтерии и склада, находятся на значительном удалении друг от друга, а перед руководством фирмы возникла необходимость объединить их между собой? Здесь нам на помощь приходят специальные устройства, называемые репитерами или повторителями.
Репитеры оснащены как минимум двумя, а иногда и большим числом сетевых портов с одним из стандартных интерфейсов, и присоединяются они непосредственно к локальной сети на максимально допустимом-расстоянии от ближайшей точки подключения (для сетей класса 10BaseT оно составляет 100 м). Получив сигнал с одного из своих портов, репитер формирует его заново с целью исключить любые потери и искажения, произошедшие в процессе его передачи, после чего ретранслирует результирующий сигнал на все остальные порты. Таким образом, при прохождении сигнала через репитер происходит его усиление и очистка от посторонних помех. В некоторых случаях повторитель выполняет также функцию разделения ретранслируемых сигналов: если на одном из портов постоянно фиксируется поступление данных с ошибками, это означает, что в сегменте сети, подключенном через данный порт, произошла авария, и репитер перестает принимать сигналы с этого порта, чтобы не передавать ошибки всем остальным сетевым сегментам, то есть не транслировать их на всю сеть.
Вместе с тем при практическом использовании репитеров вступают в силу достаточно жесткие правила, регламентирующие их число и расположение в локальной сети. Основной недостаток повторителей заключается в том, что в момент прохождения сигналов через это устройство происходит заметная задержка при пересылке данных. Протоколы канального уровня Ethernet, использующие стандарт CSMA/CD, отслеживают сбои в процессе передачи информации, и если коллизия была зафиксирована, передача повторяется через случайный промежуток времени. В случае если число репитеров на участке между двумя компьютерами локальной сети превысит некоторое значение, задержки между моментом отправки и моментом приема данных станут настолько велики, что протокол попросту не сможет проконтролировать правильность пересылки данных, и обмен информацией между этими компьютерами станет невозможен. Отсюда возникло правило, которое принято называть «правилом 5-4-3». Формулируется оно следующим образом: на пути следования сигнала в сети Ethernet не должно встречаться более 5 сегментов и более 4 репитеров, причем только к 3 из них могут быть подключены конечные устройства (рис. 3.7, а).
При этом в целом в локальной сети может присутствовать более 4 повторителей, правило регламентирует только количество репитеров между двумя
любыми точками подключения. В некоторых случаях повторители устанавливают парами и объединяют между собой проводом, в этом случае между двумя компьютерами в сети не может присутствовать более двух таких пар (рис. 3.7, б).

Ethernet (читается эзернет , от лат. aether - эфир) - пакетная технология передачи данных преимущественно локальных
.

Стандарты Ethernet определяют проводные соединения и электрические сигналы на физическом уровне, формат
кадров и протоколы управления доступом к среде - на канальном уровне модели OSI. Ethernet в основном
описывается стандартами IEEE группы 802.3. Ethernet стал самой распространённой технологией ЛВС в середине
90-х годов прошлого века, вытеснив такие устаревшие технологии, как Arcnet, FDDI и Token ring.

История создания

Технология Ethernet была разработана вместе со многими первыми проектами корпорации Xerox PARC.
Общепринято считать, что Ethernet был изобретён 22 мая 1973 года, когда Роберт Меткалф (Robert Metcalfe)
составил докладную записку для главы PARC о потенциале технологии Ethernet. Но законное право на
технологию Меткалф получил через несколько лет. В 1976 году он и его ассистент Дэвид Боггс (David Boggs)
издали брошюру под названием «Ethernet: Distributed Packet-Switching For Local Computer Networks».

Меткалф ушёл из Xerox в 1979 году и основал компанию 3Com для продвижения компьютеров и локальных
вычислительных сетей (ЛВС). Ему удалось убедить DEC, Intel и Xerox работать совместно и разработать
стандарт Ethernet (DIX). Впервые этот стандарт был опубликован 30 сентября 1980 года. Он начал
соперничество с двумя крупными запатентованными технологиями: token ring и ARCNET, - которые вскоре были похоронены под накатывающимися волнами продукции Ethernet. В процессе борьбы 3Com стала основной компанией в этой отрасли.

Технология

В стандарте первых версий (Ethernet v1.0 и Ethernet v2.0) указано, что в качестве передающей среды
используется коаксиальный кабель, в дальнейшем появилась возможность использовать витую пару и оптический
кабель.

Причинами перехода на были:

  • возможность работы в дуплексном режиме;
  • низкая стоимость кабеля «витой пары»;
  • более высокая надёжность сетей при неисправности в кабеле;
  • большая помехозащищенность при использовании дифференциального сигнала;
  • возможность питания по кабелю маломощных узлов, например IP-телефонов (стандарт Power over Ethernet, POE);
  • отсутствие гальванической связи (прохождения тока) между узлами сети. При использовании коаксиального кабеля в российских условиях, где, как правило, отсутствует заземление компьютеров, применение коаксиального кабеля часто сопровождалось пробоем сетевых карт, и иногда даже полным «выгоранием» системного блока.

Причиной перехода на оптический кабель была необходимость увеличить длину сегмента без повторителей.

Метод управления доступом (для сети на ) - множественный доступ с контролем несущей и
обнаружением коллизий (CSMA/CD, Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), скорость передачи
данных 10 Мбит/с, размер пакета от 72 до 1526 байт, описаны методы кодирования данных. Режим работы
полудуплексный, то есть узел не может одновременно передавать и принимать информацию. Количество узлов в
одном разделяемом сегменте сети ограничено предельным значением в 1024 рабочих станции (спецификации
физического уровня могут устанавливать более жёсткие ограничения, например, к сегменту тонкого коаксиала
может подключаться не более 30 рабочих станций, а к сегменту толстого коаксиала - не более 100). Однако
сеть, построенная на одном разделяемом сегменте, становится неэффективной задолго до достижения
предельного значения количества узлов, в основном по причине полудуплексного режима работы.

В 1995 году принят стандарт IEEE 802.3u Fast Ethernet со скоростью 100 Мбит/с и появилась возможность
работы в режиме полный дуплекс. В 1997 году был принят стандарт IEEE 802.3z Gigabit Ethernet со скоростью
1000 Мбит/с для передачи по оптическому волокну и ещё через два года для передачи по витой паре.

Разновидности Ethernet

В зависимости от скорости передачи данных и передающей среды существует несколько вариантов технологии.
Независимо от способа передачи стек сетевого протокола и программы работают одинаково практически во
всех ниже перечисленных вариантах.

Большинство Ethernet-карт и других устройств имеет поддержку нескольких скоростей передачи данных,
используя автоопределение (autonegotiation) скорости и дуплексности, для достижения наилучшего
соединения между двумя устройствами. Если автоопределение не срабатывает, скорость подстраивается под
партнёра, и включается режим полудуплексной передачи. Например, наличие в устройстве порта Ethernet
10/100 говорит о том, что через него можно работать по технологиям 10BASE-T и 100BASE-TX, а порт
Ethernet 10/100/1000 - поддерживает стандарты 10BASE-T, 100BASE-TX и 1000BASE-T.
Ранние модификации Ethernet

  • Xerox Ethernet - оригинальная технология, скорость 3Мбит/с, существовала в двух вариантах Version 1 и Version 2, формат кадра последней версии до сих пор имеет широкое применение.
  • 10BROAD36 - широкого распространения не получил. Один из первых стандартов, позволяющий работать на больших расстояниях. Использовал технологию широкополосной модуляции, похожей на ту, что используется
    в кабельных модемах. В качестве среды передачи данных использовался коаксиальный кабель.
  • 1BASE5 - также известный, как StarLAN, стал первой модификацией Ethernet-технологии, использующей витую пару. Работал на скорости 1 Мбит/с, но не нашёл коммерческого применения.

10 Мбит/с Ethernet

  • 10BASE5, IEEE 802.3 (называемый также «Толстый Ethernet») - первоначальная разработка технологии со скоростью передачи данных 10 Мбит/с. Следуя раннему стандарту IEEE использует коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50 Ом (RG-8), с максимальной длиной сегмента 500 метров.
  • 10BASE2, IEEE 802.3a (называемый «Тонкий Ethernet») - используется кабель RG-58, с максимальной длиной сегмента 185 метров, компьютеры присоединялись один к другому, для подключения кабеля к сетевой
    карте нужен T-коннектор, а на кабеле должен быть BNC-коннектор. Требуется наличие терминаторов на каждом
    конце. Многие годы этот стандарт был основным для технологии Ethernet.
  • StarLAN 10 - Первая разработка, использующая витую пару для передачи данных на скорости 10 Мбит/с.

В дальнейшем эволюционировал в стандарт 10BASE-T.

Несмотря на то, что теоретически возможно подключение к одному кабелю (сегменту) витой пары более чем
двух устройств, работающих в симплексном режиме, такая схема никогда не применяется для Ethernet, в
отличие от работы с . Поэтому, все сети на витой паре используют топологию «звезда»,
в то время как, сети на коаксиальном кабеле построены на топологии «шина». Терминаторы для работы по
витой паре встроены в каждое устройство, и применять дополнительные внешние терминаторы в линии не нужно.

  • 10BASE-T, IEEE 802.3i - для передачи данных используется 4 провода кабеля витой пары (две скрученные пары) категории-3 или категории-5. Максимальная длина сегмента 100 метров.
  • FOIRL - (акроним от англ. Fiber-optic inter-repeater link). Базовый стандарт для технологии Ethernet, использующий для передачи данных оптический кабель. Максимальное расстояние передачи данных без повторителя 1 км.
  • 10BASE-F, IEEE 802.3j - Основной термин для обозначения семейства 10 Мбит/с ethernet-стандартов, использующих оптический кабель на расстоянии до 2 километров: 10BASE-FL, 10BASE-FB и 10BASE-FP. Из перечисленного только 10BASE-FL получил широкое распространение.
  • 10BASE-FL (Fiber Link) - Улучшенная версия стандарта FOIRL. Улучшение коснулось увеличения длины сегмента до 2 км.
  • 10BASE-FB (Fiber Backbone) - Сейчас неиспользуемый стандарт, предназначался для объединения повторителей в магистраль.
  • 10BASE-FP (Fiber Passive)- Топология «пассивная звезда», в которой не нужны повторители - никогдане применялся.

Быстрый Ethernet (Fast Ethernet, 100 Мбит/с)

  • 100BASE-T - общий термин для обозначения стандартов, использующих в качестве среды передачи данных . Длина сегмента до 100 метров. Включает в себя стандарты 100BASE-TX, 100BASE-T4 и 100BASE-T2.
  • 100BASE-TX, IEEE 802.3u - развитие стандарта 10BASE-T для использования в сетях топологии «звезда». Задействована витая пара категории 5, фактически используются только две неэкранированные пары проводников, поддерживается дуплексная передача данных, расстояние до 100 м.
  • 100BASE-T4 - стандарт, использующий витую пару категории 3. Задействованы все четыре пары проводников, передача данных идёт в полудуплексе. Практически не используется.
  • 100BASE-T2 - стандарт, использующий витую пару категории 3. Задействованы только две пары проводников. Поддерживается полный дуплекс, когда сигналы распространяются в противоположных направлениях по каждой паре. Скорость передачи в одном направлении - 50 Мбит/с. Практически не используется.
  • 100BASE-SX - стандарт, использующий многомодовое волокно. Максимальная длина сегмента 400 метров в полудуплексе (для гарантированного обнаружения коллизий) или 2 километра в полном дуплексе.
  • 100BASE-FX - стандарт, использующий одномодовое волокно. Максимальная длина ограничена только
    величиной затухания в оптическом кабеле и мощностью передатчиков, по разным материалам от 2х до 10
    километров
  • 100BASE-FX WDM - стандарт, использующий одномодовое волокно. Максимальная длина ограничена только
    величиной затухания в волоконно-оптическом кабеле и мощностью передатчиков. Интерфейсы бывают двух
    видов, отличаются длиной волны передатчика и маркируются либо цифрами (длина волны) либо одной латинской
    буквой A(1310) или B(1550). В паре могут работать только парные интерфейсы: с одной стороны передатчик
    на 1310 нм, а с другой - на 1550 нм.
Гигабитный Ethernet (Gigabit Ethernet, 1 Гбит/с)
  • 1000BASE-T, IEEE 802.3ab - стандарт, использующий витую пару категорий 5e. В передаче данных участвуют 4 пары. Скорость передачи данных - 250 Мбит/с по одной паре. Используется метод кодирования PAM5, частота основной гармоники 62,5 МГц. Расстояние до 100 метров
  • 1000BASE-TX был создан Ассоциацией Телекоммуникационной Промышленности (англ. Telecommunications
    Industry Association, TIA) и опубликован в марте 2001 года как «Спецификация физического уровня
    дуплексного Ethernet 1000 Мб/с (1000BASE-TX) симметричных кабельных систем категории 6
    (ANSI/TIA/EIA-854-2001)» (англ. «A Full Duplex Ethernet Specification for 1000 Mbis/s (1000BASE-TX)
    Operating Over Category 6 Balanced Twisted-Pair Cabling (ANSI/TIA/EIA-854-2001)»). Стандарт, использует
    раздельную приёмо-передачу (по одной паре в каждом направлении), что существенно упрощает конструкцию
    приёмопередающих устройств. Ещё одним существенным отличием 1000BASE-TX является отсутствие схемы
    цифровой компенсации наводок и возвратных помех, в результате чего сложность, уровень энергопотребления
    и цена процессоров становится ниже, чем у процессоров стандарта 1000BASE-T. Но, как следствие, для
    стабильной работы по такой технологии требуется кабельная система высокого качества, поэтому 1000BASE-TX
    может использовать только кабель 6 категории. На основе данного стандарта практически не было создано
    продуктов, хотя 1000BASE-TX использует более простой протокол, чем стандарт 1000BASE-T, и поэтому может
    использовать более простую электронику.
  • 1000BASE-X - общий термин для обозначения стандартов со сменными приёмопередатчиками GBIC или SFP.
  • 1000BASE-SX, IEEE 802.3z - стандарт, использующий многомодовое волокно. Дальность прохождения
    сигнала без повторителя до 550 метров.
  • 1000BASE-LX, IEEE 802.3z - стандарт, использующий одномодовое волокно. Дальность прохождения
    сигнала без повторителя до 5 километров.


  • используется.
  • 1000BASE-CX - стандарт для коротких расстояний (до 25 метров), использующий твинаксиальный кабель
    с волновым сопротивлением 75 Ом (каждый из двух волноводов). Заменён стандартом 1000BASE-T и сейчас не
    используется.
  • 1000BASE-LH (Long Haul) - стандарт, использующий одномодовое волокно. Дальность прохождения
    сигнала без повторителя до 100 километров.

10-гигабитный Ethernet

Новый стандарт 10-гигабитного Ethernet включает в себя семь стандартов физической среды для LAN, MAN и
WAN. В настоящее время он описывается поправкой IEEE 802.3ae и должен войти в следующую ревизию
стандарта IEEE 802.3.

  • 10GBASE-CX4 - Технология 10-гигабитного Ethernet для коротких расстояний (до 15 метров), используется медный кабель CX4 и коннекторы InfiniBand.
  • 10GBASE-SR - Технология 10-гигабитного Ethernet для коротких расстояний (до 26 или 82 метров, в
    зависимости от типа кабеля), используется многомодовое волокно. Он также поддерживает расстояния до 300
    метров с использованием нового многомодового волокна (2000 МГц/км).
  • 10GBASE-LX4 - использует уплотнение по длине волны для поддержки расстояний от 240 до 300 метров по многомодовому волокну. Также поддерживает расстояния до 10 километров при использовании одномодового
    волокна.
  • 10GBASE-LR и 10GBASE-ER - эти стандарты поддерживают расстояния до 10 и 40 километров
    соответственно.
  • 10GBASE-SW, 10GBASE-LW и 10GBASE-EW - Эти стандарты используют физический интерфейс, совместимый
    по скорости и формату данных с интерфейсом OC-192 / STM-64 SONET/SDH. Они подобны стандартам 10GBASE-SR,
    10GBASE-LR и 10GBASE-ER соответственно, так как используют те же самые типы кабелей и расстояния передачи.
  • 10GBASE-T, IEEE 802.3an-2006 - принят в июне 2006 года после 4 лет разработки. Использует
    экранированную витую пару. Расстояния - до 100 метров.

В основе технологии Ethernet лежит моноканал. Т.е. это сеть с селекцией информации. Изначально вся технология была разработана для локальных сетей, объединяющих компьютеры на расстоянии 10-100 м. Сейчас технология Ethernet позволяет строить коммуникационные подсети, связывающие компьютеры на расстоянии 40 км.

Ethernet (ether – эфир, net – сеть). Откуда появилось это название? Технология, которая была положена в основу сетей Ethernet, изначально разрабатывалась для радио сетей.

Ранние сети использовали для передачи именно фиксированную среду передачи – коаксиальный кабель, витую пару.

Когда говорят Ethernet, то под этим обычно понимают любой из вариантов этой технологии. В более узком смысле, Ethernet - это сетевой стандарт, основанный на технологиях экспериментальной сети Ethernet Network, которую фирма Xerox разработала и реализовала в 1975 году (еще до появления персонального компьютера). Метод доступа был опробован еще раньше: во второй половине 60-х годов в радиосети Гавайского университета использовались различные варианты случайного доступа к общей радио среде, получившие общее название Aloha. В 1980 году фирмы DEC, Intel и Xerox совместно разработали и опубликовали стандарт Ethernet версии II для сети, построенной на основе коаксиального кабеля. Поэтому стандарт Ethernet иногда называют стандартом DIX по заглавным буквам названий фирм.

На основе стандарта Ethernet DIX, комитет IEEE 802 - Institute of Electrical and Electronics Engineers (Институт инженеров по электротехнике и электронике) и создал стандарт, который описывает сети – моноканалы, работающие по тому же принципу, что и сети Ethernet.

Есть определенные различия между стандартом IEEE 802 и исходного описания Ethernet. Эти различия касаются формата кадров, некоторых особенностей протоколов. Эти отличия возникли из-за того, что ассоциация DIX после создания первоначального протокола продолжала работу по улучшению скоростей передачи, повышении надежности. В то же время разработчики стандарта 802 следовали коммерческим разработкам. Во многих пунктах описания Ethernet и IEEE 802 совпадают. Поэтому, с небольшой поправкой, можно сказать, что это одно и то же.

Почему говорят о комплексе стандартов? Группа 802 работала не только для стандартов для моноканальных сетей типа Ethernet, но и для циклических сетей, и сейчас создает и развивает стандарты для современных сетей. В частности 802.11 – WI-FI, 802.16 – WI-MAX. Сейчас ведется разработка новых стандартов.

Комплекс стандартов 802 описывает 2 уровня: физический и канальный. Причем канальный разбит на 2 уровня: нижний – уровень 2a и верхний – уровень 2b.



Уровень 2а – уровень управления доступом к среде (Media Access Control (MAC)). В нем описываются особенности доступа к сетям с конкретными видами среды распространения и различными видами доступа.

Уровень 2b – уровень управления логическим каналом (Logical Link Control (LLC)). В нем локализованы функции, общие для всех сетей.

Как устроены и работают сети Ethernet?

Как мы уже говорили, это моноканал, который, однако, может быть по-разному реализован.


Существует целое семейство спецификаций, описывающих работу сетей Ethernet в разных передающих средах. Изначально описывались сети Ethernet на базе толстого коаксиального кабеля. К нему подключалось специальное устройство – трансивер (transmitter + receiver).

Трансивер - это часть сетевого адаптера, которая выполняет следующие функции:

1) прием и передача данных с кабеля на кабель,

2) определение коллизий на кабеле,

3) электрическая развязка между кабелем и остальной частью адаптера,

4) защита кабеля от некорректной работы адаптера.

Через это устройство идет подключение к сетевому адаптеру компьютера. Станции подключаются через определенное фиксированное расстояние. С обеих сторон коаксиального кабеля устанавливаются специальные заглушки – терминаторы.

Данная схема довольно долго была единственной существующей. Она схема описывается спецификацией 10Base-5 . Эта технология была довольно популярной, но и дороговатой.

Сеть могла состоять из нескольких таких сегментов – нескольких моноканалов, соединяемых репитерами (усилителями), которые принимая кадры из одного порта, усиливали сигналы и передавали их дальше.

Таким образом, 10Base-5 – коаксиальный кабель диаметром 0.5 дюйма, называемый "толстым" коаксиалом. Имеет волновое сопротивление 50 Ом. Максимальная длина сегмента - 500 метров (без повторителей).

К достоинствам стандарта 10Base-5 относятся:

1) хорошая защищенность кабеля от внешних воздействий,

2) сравнительно большое расстояние между узлами,

3) возможность простого перемещения рабочей станции в пределах длины кабеля AUI.

К недостаткам следует отнести:

1) высокую стоимость кабеля,

2) сложность его прокладки из-за большой жесткости,

3) наличие специального инструмента для заделки кабеля,

4) при повреждении кабеля или плохом соединении происходит останов работы всей сети,

5) необходимо заранее предусмотреть подводку кабеля ко всем возможным местам установки компьютеров

Следующий этап – создание сетей на основе тонкого коаксиального кабеля. Здесь функции трансивера были перенесены на сетевые адаптеры, и подключение кабеля к компьютеру происходит уже по более простой схеме.

Соответствующая спецификация имеет название 10Base-2 .

10Base-2 - коаксиальный кабель диаметром 0.25 дюйма, называемый "тонким" коаксиалом. Имеет волновое сопротивление 50 Ом. Максимальная длина сегмента - 185 метров (без повторителей).

Таким образом, 10 в названии обозначает битовую скорость передачи данных этих стандартов – 10 Мб/с, а слово Base – сокращение от baseband – метод передачи на одной базовой частоте 10 МГц (в отличие от стандартов, использующих несколько несущих частот, которые называются broadband – широкополосными).

Следующий этап развития – использование неэкранированной витой пары (UTP) и сети на основе централизованной структуры.

Рассмотренные выше схемы обладают достаточно низкой надежностью. Достаточно произойти разрыву хотя бы в одном месте, выходит из строя вся сеть.


Hub работает также как и репитер. Если какая-то станция желает передать информацию какой-то одной из станций, подключенных Hub(у), она формирует кадр с указыванием адреса получателя, этот кадр передается по витой паре в Hub. Каждая станция имеет свой отдельный порт. Поступивший в Hub кадр затем ретранслируется во все остальные порты. Т.е. логика работы остается той же самой – моноканал – сеть с селекцией информации.

Это решение – стандарт 10Base-T .

Одна из версий объяснения буквы T в названии говорит о том, что на начальном этапе создания сетей на базе витой паре, в разных организациях и офисах для подключения компьютера к одному Hub(у) использовались существующие телефонные линии.

Сети, построенные на основе стандарта 10Base-T, обладают по сравнению с коаксиальными вариантами Ethernet"а многими преимуществами. Эти преимущества связаны с разделением общего физического кабеля на отдельные кабельные отрезки, подключенные к центральному коммуникационному устройству. И хотя логически эти отрезки по-прежнему образуют общий домен коллизий, их физическое разделение 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, так как концентратор обычно автоматически выполняет такие функции, уведомляя при этом администратора сети о возникшей проблеме.

Стандарт 10Base-F использует в качестве среды передачи данных оптоволокно (fiber). Функционально сеть стандарта 10Base-F состоит из тех же элементов, что и сеть стандарта 10Base-T - сетевых адаптеров, многопортового повторителя и отрезков кабеля, соединяющих адаптер с портом повторителя. Как и при использовании витой пары, для соединения адаптера с повторителем используется два оптоволокна - одно соединяет выход Tx адаптера со входом Rx повторителя, а другое - вход Rx адаптера с выходом Tx повторителя.

Метод CSMA/CD (IEEE 802.3)

Carrier-Sense-Multiply-Access with Collision Detection

Множественный доступ с прослушиванием несущей и обнаружением коллизий

Данный метод описывает логику работы моноканалов с селекцией.

Довольно часто в описании этого метода присутствуют подобного рода блок-схемы.

Структурная схема алгоритма CSMA/CD (уровень MAC): при передаче кадра станцией


Структурная схема алгоритма CSMA/CD (уровень MAC): при приеме кадра станцией

Название метода расшифровывается как - Множественный доступ с прослушиванием несущей и обнаружением коллизий.

Множественный доступ означает, что все станции, подключенные к моноканалу, равноправны. Как происходит управления передачей? Централизованного управления, какой-то особой точки, из которой осуществлялось бы управление, нет. Функция управления сетью распределена по всем станциям. Каждая станция реализует свою часть общего алгоритма.

Допустим, какая-то станция хочет передать кадр (frame). В нем в заголовке указан адреса получателя и отправителя, а в информационной части хранится пакет. Внутри информационной части пакета хранится сообщение, в информационной части которого, в свою очередь, хранится, к примеру, запрос http.

Может ли начаться передача? Чисто теоретически – может. С другой стороны также может возникнуть ситуация, когда канал занят, т.е. какая-та другая станция уже проводит передачу. Поэтому, станции, желающие начать передачу, сначала анализируют, свободен или занят канал. Т.е. выполняют операцию «прослушивания несущей». Если опознается несущая (carrier-sense, CS), то станция откладывает передачу своего кадра до окончания чужой передачи, и только потом пытается вновь его передать.

Если же канал свободен, то станция начинает передачу. Все остальные станции, которые тоже могут передавать, прослушивают состояние канала. И как только они обнаруживают, что пошла передача, они начинают прием передаваемого сигнала, из которого они собирают 0 и 1. Из 0 и 1 уже собирают либо кадр целиком, либо его заголовок и анализируют его. Каждая станция по заголовку определяет, ей ли предназначен кадр. И та станция, которая узнает собственный адрес в заголовках кадра, записывает его содержимое в свой внутренний буфер, обрабатывает полученные данные и посылает по кабелю кадр-ответ. Адрес станции-источника также включен в исходный кадр, поэтому станция-получатель знает, кому нужно послать ответ. Если же кадр предназначается не ей, то кадр или его заголовок (в зависимости от того, что уже было принято) стирается и дальнейший прием невозможен.

Станция, осуществляющая передачу кадра, также осуществляет его прием и анализ. Если принятый сигнал совпадает с переданным, то это говорит о том, что в канале проходит тот самый сигнал, который эта станция передает, и никто больше в этот процесс не вмешивается, не происходит никаких искажений. Если это остается верным до окончания передачи, то считается, что кадр передан.

Чтобы корректно обработать коллизию, все станции одновременно наблюдают за возникающими на кабеле сигналами. Если передаваемые и наблюдаемые сигналы отличаются, то фиксируется обнаружение коллизии (collision detection, CD). Для увеличения вероятности немедленного обнаружения коллизии всеми станциями сети, ситуация коллизии усиливается посылкой в сеть станциями, начавшими передачу своих кадров, специальной последовательности битов, называемой jam-последовательностью.

В разных источниках встречается сравнение этого метода CSMA/CD с разговором нескольких человек в темной комнате. Света нет, никто не видит друг друга. Кто-то один начинает говорить, все остальные молчат и слушают. Или вдруг одновременно двое начинают говорить. Естественно, они начинают перебивать друг друга и замолкают.

После обнаружения коллизии передающая станция обязана прекратить передачу и ожидать в течение короткого случайного интервала времени, а затем может снова сделать попытку передачи кадра.

Теоретически может случиться так, что они будут выжидать одно и то же время и снова начать одновременную передачу, снова вызывая при этом коллизию. Для того чтобы свести к минимуму вероятность возникновения подобных ситуаций было предложено реализовать алгоритм двоичной экспоненциальной задержки .

После возникновения коллизии время делится на дискретные интервалы – интервалы отсрочки (slot time) – это время, в течение которого станция гарантированно может узнать, что в сети нет коллизии. Это время тесно связано с другим важным временным параметром сети – окном коллизий (collision window). Окно коллизий равно времени двукратного прохождения сигнала между самыми удаленными узлами сети – наихудшему случаю задержки, при которой станция еще может обнаружить, что произошла коллизия. Интервал отсрочки выбирается равным величине окна коллизий плюс некоторая дополнительная величина задержки для гарантии:

интервал отсрочки = окно коллизий + дополнительная задержка

Величина интервала отсрочки в стандарте 802.3 определена равной 512 битовым интервалам или 51,2 мкс, и эта величина рассчитана для максимальной длины коаксиального кабеля в 2.5 км. Величина 512 определяет и минимальную длину кадра в 64 байта, так как при кадрах меньшей длины станция может передать кадр и не успеть заметить факт возникновения коллизии из-за того, что искаженные коллизией сигналы дойдут до станции в наихудшем случае после завершения передачи. Такой кадр будет просто потерян.

После первого столкновения каждая станция ждет или 0 или 1 интервал, прежде чем попытаться передавать опять. Если две станции столкнутся и выберут одно и то же псевдослучайное число, то они столкнутся снова. После второго столкновения каждая станция выбирает случайным образом 0, 1, 2 или 3 интервала из набора (2 2 интервалов) и ждет опять. При третьем столкновении (вероятность такого события после двойного столкновения равна 1/4) интервалы будут выбираться в диапазоне от 0 до 2 3 – 1.

Время паузы после N-ой коллизии полагается равным L интервалам отсрочки, где L - случайное целое число, равномерно распределенное в диапазоне . Величина диапазона растет только до 10 попытки, а далее диапазон остается равным , то есть . После 16 столкновений подряд контроллер признает свое поражение и возвращает компьютеру ошибку. Дальнейшим восстановлением занимаются более высокие уровни.

приём
Граф состояний переходов – одна из вариаций блок-схем, представляющий метод CSMA/CD.

После запуска системы она находится в состоянии прослушивания. Допустим, поступил запрос на передачу кадра. Станция переходит в состояние ожидания. Если канал занят, то это ожидание может продлиться довольно долго, а может и случиться так, что станция сразу перейдет в состояние передачи. Это зависит от того, занята ли среда. Если передача происходит успешно, не возникает коллизий, то по команде «передача завершена» станция переходит в состояние прослушивания. А если же возникла коллизия, то станция из состояния передачи переходит в состояние задержки, где выполняется расчет задержки. По окончанию задержки, когда возникает событие «время задержки истекло», станция снова переходит в состояние ожидания. По окончанию приема возникает событие «кадр принят», которое переводит станцию в состояние прослушивания. В случае коллизии на приеме станция тоже переходит в состояние прослушивания.



Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Вам также может быть интересно