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.

Колізія – це нормальна ситуація в роботі мереж Ethernet. У прикладі, зображеному на Мал. 1, колізію породила одночасна передача даних вузлами 3 і 1. Для виникнення колізії не обов'язково, щоб кілька станцій почали передачу абсолютно одночасно, така ситуація малоймовірна. Набагато ймовірніше, що колізія виникає через те, що один вузол починає передачу раніше іншого, але до іншого вузла сигнали першого просто не встигають дійти за той час, коли другий вузол вирішує почати передачу свого кадру. Тобто колізії – це наслідок розподіленого характеру мережі.

Щоб коректно обробити колізію, усі станції одночасно спостерігають за сигналами, які виникають на кабелі . Якщо передані сигнали і сигнали, що спостерігаються, відрізняються, то фіксується виявлення колізії (collision detection, CD). Для збільшення імовірності якнайшвидшого виявлення колізії всіма станціями мережі, станція, яка знайшла колізію, перериває передачу свого кадру (у довільному місці, можливо, і не на межі байта) і підсилює ситуацію колізії посилкою в мережу спеціальної послідовності з 32 біт, названою jam-послідовністю.

Після цього передавальна станція, що знайшла колізію, зобов'язана припинити передачу і зробити паузу протягом короткого випадкового інтервалу часу. Потім вона може знову почати спробу захоплення середовища і передачі кадру. Випадкова пауза вибирається за наступним алгоритмом:

Пауза = L х (інтервал відстрочки),

де інтервал відстрочки дорівнює 512 бітовим інтервалам (у технології Ethernet прийнято всі інтервали вимірювати в бітових інтервалах; бітовий інтервал позначається як bt і відповідає часу між появою двох послідовних біт даних на кабелі; для швидкості 10 Мбіт/с величина бітового інтервалу дорівнює 0,1 мкс чи 100 нс); L представляє собою ціле число, обране з рівною імовірністю з діапазону [0, 2N], де N – номер повторної спроби передачі даного кадру: 1,2,.., 10.

Після 10-ї спроби інтервал, з якого вибирається пауза, не збільшується. Таким чином, випадкова пауза може приймати значення від 0 до 52,4 мс.

Якщо 16 послідовних спроб передачі кадру викликають колізію, то передавач повинен припинити спроби і відкинути цей кадр. З опису методу доступу видно, що він носить імовірнісний характер, і ймовірність успішного одержання у своє розпорядження загального середовища залежить від завантаженості мережі, тобто від інтенсивності виникнення у станціях потреби передачі кадрів. При розробці цього методу наприкінці 70-х років передбачалося, що швидкість передачі даних у 10 Мбіт/с дуже висока порівняно з потребами комп'ютерів у взаємному обміні даними, тому завантаження мережі буде завжди невеликим. Це припущення залишається іноді справедливим і донині, однак з'явилися додатки, що працюють у реальному масштабі часу з мультимедійною інформацією, що дуже завантажують сегменти Ethernet. При цьому колізії виникають набагато частіше. При значній інтенсивності колізій корисна пропускна здатність мережі Ethernet різко падає, тому що мережа майже постійно зайнята повторними спробами передачі кадрів. Для зменшення інтенсивності виникнення колізій потрібно або зменшити трафік, скоротивши, наприклад, кількість вузлів у сегменті, або підвищити швидкість протоколу, наприклад перейти на Fast Ethernet.

Слід зазначити, що метод доступу CSMA/CD загалом не гарантує станції, що вона коли-небудь зможе одержати доступ до середовища. Звичайно, при невеликому завантаженні мережі ймовірність такої події невелика, але при коефіцієнті використання мережі, що наближається до 1, така подія стає дуже ймовірною. Цей недолік методу випадкового доступу – плата за його надзвичайну простоту, яка зробила технологію Ethernet дуже недорогою. Інші методи доступу – маркерний доступ мереж Token Ring і FDDI, метод Demand Priority мереж 100VG-AnyLAN – позбавлені цього недоліку.

У таблиці 3 наведені значення основних параметрів процедури передачі кадру стандарту 802.3, що не залежать від реалізації фізичного середовища. Важливо відзначити, що кожен варіант фізичного середовища технології Ethernet додає до цих обмежень свої, часто більш строгі обмеження, що також повинні виконуватися, і які будуть розглянуті нижче.

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.

Для комунікаційного устаткування найбільш важким режимом є обробка кадрів мінімальної довжини. Це зумовлено тим, що на обробку кожного кадру міст, комутатор чи маршрутизатор, витрачає приблизно той же час, пов'язаний з переглядом таблиці просування пакета, формуванням нового кадру (для маршрутизатора) і т.п. А кількість кадрів мінімальної довжини, що надходять на пристрій за одиницю часу, природно більша, ніж кадрів будь-якої іншої довжини. Інша характеристика продуктивності комунікаційного устаткування – біт за секунду – використовується рідше, тому що вона не говорить про те, якого розміру кадри при цьому обробляв пристрій, а на кадрах максимального розміру досягти високої продуктивності, вимірюваної в бітах за секунду набагато легше.

Використовуючи параметри, наведені в табл. 1, розрахуємо максимальну продуктивність сегмента Ethernet у таких одиницях, як число переданих кадрів (пакетів) мінімальної довжини в секунду.

При зазначенні пропускної здатності мереж терміни “кадр” і “пакет” звичайно використовуються як синоніми. Відповідно, аналогічними є й одиниці виміру продуктивності frаmes-per-second, fps і packets-per-second, pps.

Для розрахунку максимальної кількості кадрів мінімальної довжини, що проходять сегментом Ethernet, відзначимо, що розмір кадру мінімальної довжини разом із преамбулою складає 72 байта, або 576 біт, тому на його передачу витрачається 57,5 мкс. Додавши міжкадровий інтервал у 9,6 мкс, одержимо, що період проходження кадрів мінімальної довжини складає 67,1 мкс. Звідси максимально можлива пропускна здатність сегмента Ethernet складає 14 880 кадр/с.

Природно, що наявність у сегменті декількох вузлів знижує цю величину за рахунок очікування доступу до середовища, а також за рахунок колізій, що приводять до необхідності повторної передачі кадрів.

Кадри максимальної довжини технології Ethernet мають поле даних довжиною 1500 байт, що разом зі службовою інформацією дає 1518 байт, а з преамбулою складає 1526 байт, або 12 208 біт. Максимально можлива пропускна здатність сегмента Ethernet для кадрів максимальної довжини складає 813 кадр/с. Очевидно, що при роботі з великими кадрами навантаження на мости, комутатори і маршрутизатори досить відчутно знижується.

Тепер розрахуємо, якою максимальною корисною пропускною здатністю в бітах за секунду володіють сегменти Ethernet при використанні кадрів різного розміру.

Під корисною пропускною здатністю протоколу розуміється швидкість передачі користувацьких даних, що переносяться полем даних кадру. Ця пропускна здатність завжди менша номінальної бітової швидкості протоколу Ethernet за рахунок декількох факторів:

• службової інформації кадру;

• міжкадрових інтервалів (IPG);

• чекання доступу до середовища.

Для кадрів мінімальної довжини корисна пропускна здатність дорівнює:

Смін = 14880 х 46 х 8 = 5,48 Мбіт/с.

Це набагато менше 10 Мбіт/с, але варто врахувати, що кадри мінімальної довжини використовуються в основному для передачі квитанцій, так що до передачі файлів ця швидкість стосунку не має.

Для кадрів максимальної довжини корисна пропускна здатність дорівнює:

Смакс = 813 х 1500 х 8 = 9,76 Мбіт/с.,

що дуже близько до номінальної швидкості протоколу.

Ще раз підкреслимо, що такої швидкості можна досягти тільки в тому випадку, коли двом взаємодіючим вузлам у мережі Ethernet інші вузли не заважають, а це буває вкрай рідко.

При використанні кадрів середнього розміру з полем даних у 512 байт пропускна здатність мережі складе 9,29 Мбіт/с, що теж досить близько до граничної пропускної здатності в 10 Мбіт/с.

Відношення поточної пропускної здатності мережі до її максимальної пропускної здатності називається коефіцієнтом використання мережі (network utilization). При цьому при визначенні поточної пропускної здатності береться до уваги передача мережею будь-якої інформації, як користувацької, так і службової. Коефіцієнт є важливим показником для технологій розподілених середовищ, тому що при випадковому характері методу доступу високе значення коефіцієнта використання часто говорить про низьку корисну пропускну здатність мережі (тобто швидкості передачі користувацьких даних) – занадто багато часу вузли витрачають на процедуру одержання доступу і повторні передачі кадрів після колізій.

При відсутності колізій і чекання доступу коефіцієнт використання мережі залежить від розміру поля даних кадру і має максимальне значення 0,976 при передачі кадрів максимальної довжини. Очевидно, що в реальній мережі Ethernet середнє значення коефіцієнта використання мережі може значно відрізнятися від цієї величини.

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.

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.