Ethernet

Ethernet – це найпоширеніший на сьогоднішній день стандарт локальних мереж. Загальна кількість мереж, що працюють за протоколом Ethernet у даний час, оцінюється в 5 мільйонів, а кількість комп'ютерів із установленими мережевими адаптерами Ethernet – у 50 мільйонів.

Коли говорять Ethernet, то під цим звичайно розуміють всі варіанти цієї технології. У більш вузькому смислі Ethernet – це мережевий стандарт, заснований на експериментальній мережі Ethernet Network, яку фірма Xerox розробила і реалізувала в 1975 році. Метод доступу був випробуваний ще раніше: у другій половині 60-х років у радіомережі Гавайського університету використовувалися різні варіанти випадкового доступу до загального радіосередовища, що одержали загальну назву Aloha. У 1980 році фірми DEC, Intel і Xerox спільно розробили й опублікували стандарт Ethernet версії II для мережі, побудованої на основі коаксіального кабелю, що став останньою версією фірмового стандарту Ethernet. Тому фірмову версію стандарту Ethernet називають стандартом Ethernet DIX чи Ethernet II.

На основі стандарту Ethernet DIX був розроблений стандарт IEEE 802.3, що багато в чому збігається зі своїм попередником, але деякі розходження все-таки є. У той час як у стандарті IEEE 802.3 виділено рівні MAC і LLC, в оригінальному Ethernet обидва ці рівні об'єднані в єдиний канальний рівень. У Ethernet DIX визначається протокол тестування конфігурації (Ethernet Configuration Test Protocol), який відсутній у IEEE 802.3. Дещо відрізняється і формат кадру, хоча мінімальні і максимальні розміри кадрів у цих стандартах збігаються. Часто для того, щоб відрізнити Ethernet, визначений стандартом IEEE, і фірмовий Ethernet DIX, перший називають технологією 802.3, а за фірмовим залишають назву Ethernet без додаткових позначень.

В залежності від типу фізичного середовища стандарт IEEE 802.3 має різні модифікації – 10Base-5, 10Base-2, 10Base-T, 10Base-FL, 10Base-FB.

У 1995 році був прийнятий стандарт Fast Ethernet, що багато в чому не є самостійним стандартом, про що говорить і той факт, що його опис є додатковим розділом до основного стандарту 802.3 – розділом 802.3і. Аналогічно, прийнятий у 1998 році стандарт Gigabit Ethernet описаний у розділі 802.3z основного документу.

Для передачі двійкової інформації кабелем, для усіх варіантів фізичного рівня технології Ethernet, що забезпечують пропускну здатність 10 Мбіт/с, використовується манчестерський код.

Усі види стандартів Ethernet (у тому числі і Fast Ethernet) використовують той сам метод поділу середовища передачі даних – метод CSMA/CD.

МЕТОД ДОСТУПУ CSMA/CD

У мережах Ethernet використовується метод доступу до середовища передачі даних, названий методом колективного доступу з розпізнаванням несучої і виявленням колізій (carrier-sense-multiply-access with collision detection, CSMA/CD).

Цей метод застосовується винятково в мережах з логічною загальною шиною (до яких відносяться і радіомережі, що породили цей метод). Усі комп'ютери такої мережі мають безпосередній доступ до загальної шини, тому вона може бути використана для передачі даних між будь-якими двома вузлами мережі. Одночасно всі комп'ютери мережі мають можливість негайно (з урахуванням затримки поширення сигналу по фізичному середовищу) одержати дані, які будь-який з комп'ютерів почав передавати в загальну шину. Простота схеми підключення – це один з факторів, що визначили успіх стандарту Ethernet. Говорять, що кабель, до якого підключені всі станції, працює в режимі колективного доступу (Multiply Access, MA).

Етапи доступу до середовища. Усі дані, передані мережею, розміщуються в кадри визначеної структури і забезпечуються унікальною адресою станції призначення. Щоб одержати можливість передавати кадр, станція повинна переконатися, що розподілене середовище вільне. Це досягається прослуховуванням основної гармоніки сигналу, що також називається несучою частотою (carrier-sense, CS). Ознакою незайнятості середовища є відсутність на ній несучої частоти, що при манчестерському способі кодування рівна 5-10 Мгц, у залежності від послідовності одиниць і нулів, переданих у даний момент. Якщо середовище вільне, то вузол має право почати передачу кадру. Цей кадр зображений на Мал. 1 першим. Вузол 1 визначив, що середовище вільне, і почав передавати свій кадр. У класичній мережі Ethernet на коаксіальному кабелі сигнали передавача вузла 1 поширюються в обидва боки, так що усі вузли мережі їх одержують. Кадр даних завжди супроводжується преамбулою (preamble), що складається з 7 байт, яка, в свою чергу, складається зі значень 10101010, і 8-го байта, рівного 10101011. Преамбула потрібна для входження приймача в побітову і побайтову синхронізацію з передавачем. Усі станції, підключені до кабелю, можуть розпізнати факт передачі кадру, і та станція, що визначить адресу в заголовках кадру як власну, записує його вміст у свій внутрішній буфер, обробляє отримані дані, передає їх нагору по своєму стеку, а потім посилає кабелем кадр-відповідь. Адреса станції-джерела міститься у вихідному кадрі, тому станція-одержувач знає, кому потрібно послати відповідь. Вузол 2 під час передачі кадру вузлом 1 також намагався почати передачу свого кадру, однак знайшов, що середовище зайняте – присутня несуча частота, – тому вузол 2 змушений чекати, поки вузол 1 не припинить передачу кадру.

Мал. 1 Метод доступу CSMA/CD.

Після закінчення передачі кадру усі вузли мережі зобов'язані витримати технологічну паузу (Inter Packet Gap) у 9,6 мкс. Ця пауза, яку також називають міжкадровим інтервалом, потрібна для приведення мережевих адаптерів у вихідний стан, а також для запобігання монопольного захоплення середовища однією станцією. Після закінчення технологічної паузи вузли мають право почати передачу свого кадру, тому що середовище вільне. Через затримки поширення сигналу кабелем не всі вузли суворо одночасно фіксують факт закінчення передачі кадру вузлом 1. В наведеному прикладі, вузол 2 дочекався закінчення передачі кадру вузлом 1, зробив паузу в 9,6 мкс і почав передачу свого кадру.

ВИНИКНЕННЯ КОЛІЗІЇ

Механізм прослуховування середовища і пауза між кадрами не гарантують від виникнення такої ситуації, коли дві чи більше станцій одночасно вирішують, що середовище вільне, і починають передавати свої кадри. Говорять, що при цьому відбувається колізія (collision), тому що вміст обох кадрів зіштовхується на загальному кабелі і відбувається перекручування інформації – методи кодування, використовувані в Ethernet, не дозволяють виділяти сигнали кожної станції із загального сигналу.

МАКСИМАЛЬНА ПРОДУКТИВНІСТЬ МЕРЕЖІ ETHERNET

Кількість оброблюваних кадрів Ethernet у секунду часто вказується виробниками мостів/комутаторів і маршрутизаторів як основна характеристика продуктивності цих пристроїв. У свою чергу, цікаво знати чисту максимальну пропускну здатність сегмента Ethernet у кадрах за секунду в ідеальному випадку, коли в мережі немає колізій і немає додаткових затримок, внесених мостами і маршрутизаторами. Такий показник допомагає оцінити вимоги до продуктивності комунікаційних пристроїв, тому що в кожен порт пристрою не може надходити більше кадрів за одиницю часу, ніж дозволяє це зробити відповідний протокол.

ФОРМАТИ КАДРІВ ТЕХНОЛОГІЇ ETHERNET

Стандарт технології Ethernet, описано у документі IEEE 802.3, який визначає єдиний формат кадру рівня MAC. Оскільки в кадр рівня MAC повинен вкладатися кадр рівня LLC, описаний у документі IEEE 802.2, то за стандартами IEEE у мережі Ethernet може використовуватися тільки один варіант кадру канального рівня, заголовок якого є комбінацією заголовків MAC і LLC підрівнів.

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

Консорціум трьох фірм Digital, Intel і Xerox у 1980 році подав на розгляд комітету 802.3 свою фірмову версію стандарту Ethernet як проект міжнародного стандарту, але комітет 802.3 прийняв стандарт, що відрізняється в деяких деталях від пропозиції DIX. Відмінності стосувалися і формату кадру, що породило існування двох різних типів кадрів у мережах Ethernet.

Ще один формат кадру з'явився в результаті зусиль компанії Novell щодо прискорення роботи свого стека протоколів у мережах Ethernet. І нарешті, четвертий формат кадру став результатом діяльності комітету 802.2 із приведення попередніх форматів кадрів до деякого загального стандарту.

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

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

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

кадр Raw 802.3 (чи кадр Novell 802.3);

кадр Ethernet DIX (чи кадр Ethernet II);

кадр Ethernet SNAP.

Використання різних типів кадрів Ethernet.

ОСОБЛИВОСТІ АПАРАТУРИ МЕРЕЖІ ETHERNET

Крім стандартної топології типу «шина» застосовуються також топології типу «пасивна зірка» і «дерево». При цьому передбачається використання репітерів і пасивних (репітерних) концентраторів, що з'єднують між собою різні частини (сегменти). Як сегмент може виступати одиничний абонент. Головне – щоб у результаті в отриманій топології не було замкнутих шляхів (петель). Фактично виходить, що абоненти з'єднані все в ту ж «шину», тому що сигнал від кожного з них поширюється відразу в усі боки і не повертається назад. Максимальна довжина кабелю всієї мережі в цілому (максимальний шлях сигналу) теоретично може досягати 6,5 км, але практично не перевищує 2,5 км.

Для мережі Ethernet, що працює на швидкості 10 Мбіт/с, стандарт визначає чотири основних типи середовища передачі.

Оптоволоконний Ethernet 10BASE-F

Позначення середовища передачі містить у собі три елементи: цифра «10» означає швидкість передачі 10 Мбіт/с, слово BASE означає передачу в основній смузі частот (тобто без модуляції високочастотного сигналу), а останній елемент означає тип середовища передачі даних: «5» – “товстий коаксіал” (0,5 дюйма) «2» – “тонкий коаксіал” (0,25 дюйма), «Т» – скручена пара (англійською "twisted-pair"), «F» – оптоволокно (англійською –“fiber optic”).

ДОМЕН КОЛІЗІЙ

Домен колізій (collision domain) – це частина мережі Ethernet, усі вузли якої розпізнають колізію незалежно від того, у якій частині цієї мережі колізія виникла. Мережа Ethernet, побудована на повторювачах, завжди утворить один домен колізій. Домен колізій відповідає одному поділюваному середовищу. Мости, комутатори і маршрутизатори поділяють мережу Ethernet на декілька доменів колізій.

ВИБІР КОНФІГУРАЦІЇ ETHERNET

При виборі конфігурації мережі, що складається із сегментів різних типів, виникає багато питань, зв'язаних насамперед з максимально допустимим розміром мережі і максимально можливим числом різних елементів. Розглянемо коротко прості методи вирішення цих питань.

Розрахунок PDV

PDV - обчислення подвійного (кругового) часу проходження сигналу по мережі між двома найвіддаленішими елементами.

Розрахунок PVV

PVV - розрахунок перевіряє відповідність стандарту величини міжкадрового інтервалу. Ця величина не повинна бути меншою, ніж 96 бітових інтервалів (9,6 мкс). Однак при проходженні пакетів (кадрів) через репітери і концентратори міжкадровий інтервал може скорочуватися, у результаті два пакети можуть зрештою сприйматися як один.