Тема. Общая идеология технологии Ethernet

Метод доступа, используемый в сетях Ethernet на разделяемой кабельной среде передачи данных, носит название CSMA/CD (англ. Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect – прослушивание несущей частоты с множественным доступом и распознаванием коллизий).

Среда передачи данных, к которой подключены все станции Ethernet, работает в режиме коллективного доступа (англ. Multiply Access, MA), то есть все станции имеют возможность немедленно (с учетом задержки сигнала на распространение) получить данные, которые передаются в среде.

Чтобы получить возможность передавать кадр, станция должна убедиться, что среда свободна. Это достигается прослушиванием основной гармоники сигнала – несущей частоты (англ. Carrier Sense, CS).

Признаком того, что среда свободна, является отсутствие на ней несущей частоты (высокочастотного сигнала, используемого для передачи данных в Ethernet). Следует напомнить, что для кодирования данных в технологии Ethernet применяется особый вид импульсного кодирования – манчестерский код, обладающий хорошей внутренней синхронизацией как при передаче цепочек «0», так и при передаче цепочек «1».

Общий для всех узлов сети Ethernet порядок работы в локальной сети:

1.    Все узлы слушают «несущую» в разделяемой среде. При отсутствии несущей частоты каждый узел имеет право начать передачу кадра.

2.    Передаваемый кадр данных всегда предваряется преамбулой, которая состоит из 7 байт, значение которых 10101010, и восьмого байта 10101011 (ограничитель начала кадра). Преамбула нужна для

синхронизации приемника. Наличие двух единиц говорит о том, что преамбула кончилась и следующий бит является началом кадра.

3.    Все станции, подключенные к среде, начинают записывать байты передаваемого кадра в свои внутренние буферы. Первые 6 байт кадра содержат адрес назначения кадра. Та станция, адрес которой содержится в заголовке кадра, продолжает прием, а все остальные станции прием прекращают.

4.    По окончании передачи кадра узел обязательно делает технологическую паузу, равную межпакетному интервалу (англ. Inter Packet Gap, IPG) в 9.6 мкс, что предотвращает монопольный захват среды передачи одним узлом. По окончании технологической паузы все узлы имеют право начать передачу.

5.   

Учитывая невозможность мгновенного распространения сигнала в разделяемой среде, легко представить ситуацию, когда два или несколько узлов начали передачу одновременно. Такая ситуация называется коллизией. Коллизия (англ. Collision) не является аварийной ситуацией для сетей Ethernet, поскольку обрабатывается стандартной процедурой. Если, слушая среду, какой-либо узел обнаруживает, что передача ведется несколькими узлами одновременно, то он для усугубления ситуации с целью скорейшего обнаружения коллизии всеми станциями сети, посылает в среду передачи специальную последовательность из 32 бит, называемую jam-последовательностью. При обнаружении коллизии передающая станция прекращает передачу и делает паузу (длительность паузы случайная, от 0 до 52 мкс). Затем станция может попытаться возобновить передачу кадра сначала.

Рис. 35. Структура кадра Ethernet

Кадр передаваемых в сети Ethernet данных имеет стандартную структуру и состоит из:

·      заголовка физического уровня (англ. MAC Header) размером в 14

байт;

·      собственно данных (англ. Data) – от 46 до 1500 байт;

·      контрольной суммы битов (англ. Cyclic Redundancy Check, CRC –

циклический избыточный код) – 4 байта.

Полный размер кадра данных Ethernet может составлять от 64 до 1518 байт. Нетрудно заметить, что передаваемые приложениями данные не составляют полный объем кадра. Для указания адреса узла- получателя, адреса узла- отправителя и обеспечения проверки целостности данных на основе CRC требуется передача дополнительных 18 байт.

   Спецификации Ethernet по физической среде передачи

Спецификации    Ethernet    по    физической                                        среде         передачи                                        данных обозначаются с указанием скорости передачи данных и используемой среды.

Например, обозначение «10Base-5» можно прочесть следующим образом:

·      10 – скорость передачи данных 10 Мбит/с;

·      Base – передача происходит на одной базовой частоте (англ. Baseband);

·      5 – в качестве среды передачи используется коаксиальный кабель диаметром 0,5 дюйма.

Группа IEEE 802.3 включает в себя стандарты передачи данных с использованием различных физических сред (коаксиальные кабели, кабели

«витая пара», оптоволокно) и различных значений скорости передачи данных.

 

Стандарт	Дата принятия	Описание
IEEE 802.3	1983	10Base5 (10 Мбит/с на «толстом» коаксиале)
802.3a	1985	10Base2 (10 Мбит/с на «тонком» коаксиале)
802.3i	1990	10Base-T (10 Мбит/с на витой паре)
802.3j	1993	10Base-F (10 Мбит/с на оптическом волокне)
802.3u	1995	100Base-T4, 100Base-TX (Fast Ethernet, 100 Мбит/с на витой паре, автосогласование скорости, совместимость с 802.3i)
802.3z	1998	1000Base-X (Gigabit Ethernet на оптическом волокне)
802.3ab	1999	1000Base-T (Gigabit Ethernet на витой паре)
802.3ae	2003	10GBASE-SR, 10GBASE-LR, 10GBASE-ER, 10GBASE-SW, 10GBASE-LW, 10GBASE-EW (10 Гбит/с на оптическом волокне)
802.3an	2006	10GBaseT (10 Гбит/с на витой паре)

  Спецификация 10Base-5 (IEEE 802.3)

·      Среда передачи – коаксиальный кабель диаметром 0,5 дюйма

(«толстый» коаксиал, марка RG-8).

·      Волновое сопротивление кабеля – 50 Ом.

·      Максимальная длина сегмента – 500 м.

·      Максимальное число узлов на сегменте – 100.

·      Максимальное число сегментов – 5 (при использовании 4 повторителей), из которых могут быть нагруженными (использоваться для подключения узлов), а 2 сегмента – выполняют роль удлинителей (правило «5-4-3»).

·      Кабель укладывается только единым цельным сегментом.

·     

Сетевой адаптер, а точнее его трансивер (англ. Tranceiver, от Transmitter – передатчик и Receiver – приемник), монтировался на кабеле методом протыкания оболочки кабеля до осуществления контакта с центральным проводником и оплеткой кабеля (рис. 36).

Рис. 36. Трансивер 10Base-5 (виден зажатый обрезок кабеля 0,5 дюйма) и способ подключения сетевых адаптеров сетевых станций к кабелю

Повторитель (англ. Repeater) – устройство, принимающее данные на

Повторитель (англ. Repeater) – устройство, принимающее данные на один из своих портов и транслирующее данные (сигнал генерируется заново) в кабель, подключенный к другому порту. Работает на физическом уровне. Повторитель для коаксиального кабеля соединяет два сегмента кабеля, обеспечивая восстановление сигнала перед его передачей в следующий сегмент. Повторитель для коаксиального кабеля имеет два порта.

 Спецификация 10Base-2 (802.3a)

·      Среда передачи – коаксиальный кабель диаметром 0,25 дюйма

(«тонкий» коаксиал, марка кабеля RG-58).

·      Волновое сопротивление кабеля – 50 Ом.

·      Максимальная длина сегмента – 185 м.

·      Максимальное число узлов на сегменте – 30.

·      Максимальное число сегментов – 5 (при использовании 4 повторителей), из которых могут быть нагруженными (использоваться для подключения узлов), а два сегмента – выполняют роль удлинителей (правило «5-4-3»).

·      Кабель разрезается на фрагменты, соединяющие два ближайших узла.

 

Рис. 37. Схема подключения кабеля с BNC коннектором (слева) и BNC

терминатора (справа) к сетевому адаптеру через BNC-T коннектор

Реализация данной спецификации интересна подходом, используемым для организации кабельной структуры. Хотя физическая топология и представляет собой «общую шину», каждая пара ближайших узлов соединяется отдельным фрагментом коаксиального кабеля, снабженного наконечниками BNC.

Рис. 38. Сборка и монтаж коннектора BNC (слева – направо)

Поскольку к каждому узлу (сетевому адаптеру) должны подключаться два фрагмента кабеля (для конечных узлов используется специальная заглушка

–    терминатор сигнала), то кабель подключается через тройник – коннектор

BNC-T.

Коннекторы BNC монтируются на кабель специальными монтажными устройствами, позволяющими поэтапно выполнить зачистку кабеля до определенного уровня (снять внешние оболочки до центрального проводника, затем снять верхнюю защитную оболочку) и выполнить обжим сначала наконечника центрального проводника, а затем обжимного кольца коннектора.

Рис. 39. Сетевой адаптер с интерфейсом BNC, BNC-T и BNC коннекторы (на кабеле), BNC терминатор

Если узел оказывается конечным в своей сети, то на его BNC-T

коннекторе размещается особая заглушка сигнала – терминатор.

При отсутствии терминатора на обрыве кабеля происходит отражение сигнала, что приводит к одновременному существованию в сети двух сигналов передаваемого и отраженного. Согласно протоколам Ethernet одновременное существование двух сигналов означает наличие коллизии. Однако такая ситуация не является коллизией, поскольку после выдержанной всеми узлами паузы, все попытки возобновить сеанс заканчиваются неудачей. Именно для предотвращения отражения сигнала на последнем BNC-T коннекторе и предназначены терминаторы. Сигнал, пришедший к терминатору, будет погашен активным резистором терминатора.

К нарушению работы сети приводит также и обрыв кабеля. Так как в спецификации 10Base-2 количество электрических соединений очень велико, то шанс возникновения разрыва кабельной линии очень велик.

Коаксиальный кабель позволяет построить локальную сеть с физической топологией «общая шина». Логическая топология сети определяется использованием одной стандартной частоты передачи (англ. Baseband) – также

«общая шина», то есть вся сеть занята трансляцией одного пакета данных.

 

  Спецификация 10Base-T (802.3i)

·      Среда передачи – кабель на основе витой пары (UTP/STP категории

3 или выше).

·      Физическая топология – звезда на основе концентратора или коммутатора.

·      Максимальное расстояние между концентратором и узлом – 100 м.

·      При построении иерархической структуры число концентраторов между любыми двумя узлами – не более 4.

Переход на использование кабеля «витая пара» позволил перейти на использование физической топологии «звезда», поэтому линии связи между каждым из узлов и концентратором стали индивидуальными. В таком случае обрыв одного кабеля никак не связан с работоспособности остальной сети.

Концентратор (англ. Hub – узел) — многопортовый повторитель, принимающий сигнал на одни из своих портов и транслирующие его на все остальные порты. При использовании концентратора логическая топология сети (несмотря на использование физической «звезды») остается общей шиной, поскольку вся сеть на основе концентратора занята передачей одного пакета.

 

 

                                                                       

 

 

Рис. 40. Упрощенная схема работы концентратора и коммутатора

Коммутатор (англ. Switch – переключатель) — многопортовое многопроцессорное устройство, способное принимать сигнал на один из своих портов и ретранслировать его на один один из портов – порт получателя. То есть коммутатор выполняет временное соединение (коммутацию) двух портов – порта передатчика и порта приемника пакета.

Определение порта, к которому подключен получатель пакета, определяется на основе таблицы «порт – MAC-адрес узла», которую коммутатор составляет по мере обнаружения узлов (адрес узла-отправителя и адрес узла-получателя указан в заголовке пакета).

Таким образом, сеть спецификации 10Base-T на основе коммутатора имеет логическую топологию «звезда». Использование более дорогостоящего оборудования (коммутаторов) позволило увеличить общую пропускную способность сети, за счет перехода на разделяемые линии связи и коммутации пары каналов вместо трансляции пакета на всю сеть.

Рис. 41. Управляемый 24-портовый коммутатор Ethernet (для монтажа в серверной стойке форм-фактора 19”)

Для реализации сети по спецификации 10Base-T используется 2-х или 4-х парный кабель. Каждый фрагмент кабеля снабжается 8-контактным коннектором RJ-45.

Спецификации 100Base-T (Fast Ethernet, 802.3u)

Различия спецификаций 10Base-T и 100Base-T (Fast Ethernet) заключаются только на физическом уровне, а именно – в характеристиках кабеля «витая пара» и аппаратной реализации сетевых адаптеров и коммутаторов.

На уровне управления передачей данных спецификации 10Base-T и 100Base-T полностью совместимы, поэтому все современное оборудование Fast Ethernet при необходимости легко переключается в режим 10 Мбит/с.

Базовая топология сети Fast Ethernet – «звезда» на основе коммутатора.

Линии связи – индивидуальные.

Спецификация 100Base-T может использоваться в двух вариантах реализации:

·      100Base-T4 – 100 Мбит/с при использовании кабеля UTP/STP категории 3 и выше (используются четыре витые пары кабеля, этот вариант практически не используется);

·      100Base-TX – 100 Мбит/с при использовании кабеля UTP/STP категории 5 и выше (используются только две витые пары, этот вариант наиболее распространен).