Что такое Ethernet и как он работает?

Ethernet — на нем основаны большинство сетей в наше время. Существует большое количество технологий, позволяю­щих соединить компьютеры в сеть. Каждая из них была раз­работана в разное время и предназначена для решения опре­деленной задачи.

Технология Ethernet охватывает сразу два нижних уровня модели OSI . Физический и канальный уровни. Далее будем говорить только о физическом уровне модели OSI, т.е. о том, как передаются биты данных между двумя соседними устройствами.

В настоящее время для построения локальных сетей ис­пользуют технологию Fast Ethernet , которая является новой реализацией технологии Ethernet .

Что такое Ethernet

Эта технология была разработана в 1970 г. исследователь­ским центром в Пало-Альто, который принадлежит корпора­ции Xerox, а в 1980 г. на ее основе была принята специфика­ция IEЕЕ 802.3.

Основной принцип работы, используемый в данной техно­логии, заключается в следующем. Для того чтобы начать пе­редачу данных в сети, сетевой адаптер компьютера «прослу­шивает» сеть на наличие какого-либо сигнала. Если его нет, то адаптер начинает передачу данных, если же сигнал есть, то передача откладывается на определенный интервал времени. Время монопольного использования разделяемой среды од­ним узлом ограничивается временем передачи одного кадра.

Кадр — это единица данных, которыми обмениваются ком­пьютеры в сети Ethernet. Кадр имеет фиксированный формат и наряду с полем данных содержит различную служебную ин­формацию, например адрес получателя и адрес отправителя. После того как адаптер отправителя поместил кадр в сеть, его начинают принимать все сетевые адаптеры. Каждый адаптер проводит анализ кадра, и если адрес совпадает с их собствен­ным адресом устройства (МАС-адрес), кадр помещается во внутренний буфер сетевого адаптера, если же не совпадает, то он игнорируется.

В том случае, если два или более адаптера, «прослушав» сеть, начинают передавать данные, возникает коллизия (collision ). Адаптеры, обнаружив коллизию, прекращают пе­редачу данных, а затем, повторно «прослушав» сеть, повто­ряют передачу данных через разные промежутки времени.

? ПРИМЕЧАНИЕ. Чтобы получить пакет данных, который предназначен для конкретного адаптера, он должен прини­мать все пакеты, которые появляются в сети.

Такой метод доступа к среде передачи данных получил на­звание CSMA / CD {carrier-sense multiple access/collision detect­ion) — множественный доступ с обнаружением несущей.

Что такое Ethernet — коллизии

Как следует из вышесказанного, при большом числе ком­пьютеров в сети. и при интенсивном обмене информацией очень быстро растет число коллизий. и как следствие, пропуск­ная способность сети падает. Не исключен случай, когда про­пускная способность может упасть до нуля. Но даже в сети где средняя нагрузка не превышает рекомендованную. Это 30-40% от общей полосы пропускания, скорость передачи со­ставляет 70-80% от номинальной.

Однако в настоящее время данную проблему почти решили. Поскольку разработали устройства, способные разде­лять потоки данных между теми компьютерами, для которых эти данные предназначаются. Другими словами, трафик между портами, подключенными к передающему и принимающему сетевым адаптерам, изолируется от других портов и адаптеров. Такие устройства называются коммутаторами (switch ).

Существуют различные реализации данной технологии -Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet. Например они могут обеспе­чивать скорость передачи данных 10, 100 и 1000 Мбит/с соот­ветственно.

Стандарт IЕЕЕ 802.3 содержит несколько спецификаций, отличающихся топологией и типом используемого кабеля. Например, 10 BASE-5 использует толстый коаксиальный ка­бель. 10 BASE-2 — тонкий кабель. А 10 BASE-F, 10 BASE-FB, 10 BASE-FL и FOIRL используют оптический кабель. Наибо­лее популярна спецификация IEЕЕ 802.3 100BASE-TX. В ко­торой для организации сети используется кабель на основе неэкранированных витых пар с разъемами RJ-45.

Реализации сети Ethernet

Перечисленные выше спецификации Ethernet можно опи­сать следующим образом. Первое число в имени спецификации, указывает максимальную скорость передачи данных. Например «10» обозначает скорость передачи сигнала 10 Мбит/с. «Base», означает использование в стандарте Baseband-технологии. Baseband — это узкополосная передача. При таком способе передачи данных по кабелю каждый бит данных кодируется. Он кодируется отдельным электрическим или световым импульсом. При этом весь кабель используется в качестве одного канала связи. Т.е. одновременная передача двух сигналов невозможна.

Первоначально последняя секция в названии специфика­ции предназначалась для отображения максимальной длины. Длины кабельного сегмента в сотнях метров. Это без концентраторов и коммутаторов. Однако для удобства и более полного опреде­ления сути стандарта все упростили. И теперь его названии цифры заменили буквами Т и F. Где Т обозначает twisted pair — витую пару, a F обозначает оптоволокно.

Таким образом, в настоящее время можно встретить сети, основанные на следующих спецификациях:

• 10Base-2 — 10 МГц Ethernet на коаксиальном кабеле с со­противлением 50 Ом, baseband. 10Base-2 известен как «тонкий Ethernet»;
• 10Base-5 — 10MHzEthernetна стандартном (толстом) коак­сиальном кабеле с сопротивлением 50 Ом, baseband;
• 10Base-T — 10MHz Ethernet по кабелю витая пара;
• 100 Base-TX — 100MHz Ethernet по кабелю витая пара.

Весьма существенным преимуществом различных вариан­тов Ethernet является обоюдная совместимость. Такая, которая по­зволяет использовать их совместно в одной сети. И в ряде слу­чаев даже не изменяя существующую кабельную систему.

ПОЛНОДУПЛЕКСНЫЙ РЕЖИМ

Стандарт технологии Fast Ethernet также включает в себя рекомендации. Рекомендации относительно обеспечения возможности полно-дуплексной работы (full — duplex mode ) при подключении сете­вого адаптера к коммутатору. Или же при непосредственном соединении коммутаторов между собой.

Суть полно-дуплексного режима заключается в возможно­сти одновременной передачи и приема данных по двум каналам. Тх (канал от передатчика к приемнику) и Rx(канал от приемника к передатчику). И при этом скорость передачи возрастает вдвое и достигает 200 Мбит/с.

На данный момент практически все производители сетевого оборудования заявляют следующее. Что их устрой­ства обеспечивают работу в полно-дуплексном режиме. Однако из-за разного толкования стандарта, в частности способов правления потоком кадров. Не всегда удается добиться кор­ректной работы этих устройств. И так же хороших скоростных пока­зателей.

Нашли помощь - поддержите проект!

Сделать это легко:

Поделись ссылкой с друзьями в соц.сетях!

Вконтакте

Выбор длины поля данных диктовался уровнем ошибок (BER) для технологий, существовавших на момент разработки стандарта Ethernet .

Первоначально в качестве среды передачи данных использовался толстый коаксиальный кабель (Z = 50 Ом ), а подключение к нему выполнялось через специальные устройства (трансиверы). Позднее сети начали строиться на основе тонкого коаксиального кабеля. Но и такое решение было достаточно дорогим. Разработка дешевых широкополосных скрученных пар и соответствующих разъемов открыла перед Ethernet широкие перспективы. Те, кому приходилось работать с коаксиальными кабелями Ethernet , знают, что при подсоединении или отсоединении разъема можно получить болезненные удары тока. Для скрученных пар это исключено. Но и эта технология не вечна: скрученные пары мало-помалу уступают свои позиции оптоволоконным кабелям.

Для разного быстродействия Ethernet используются разные схемы кодирования, но алгоритм доступа и формат кадра остается неизменным, что гарантирует программную совместимость .

Однако наличие сотен миллионов интерфейсов Ethernet является серьезным препятствие замены стандарта на более совершенный.

16.1. Архитектура сетей Ethernet

Многие современные физические сетевые среды используют последовательный формат передачи информации. К этой разновидности относится и Ethernet . Фирма "Ксерокс" осуществила разработку протокола Ethernet в 1973 году, а в 1979 году объединение компаний Xerox, Intel и DEC (DIX) предоставило документ для стандартизации протокола в IEEE . Предложение с небольшими изменениями было принято комитетом 802.3 в 1983 году. Кадр Ethernet в современном стандарте имеет формат, показанный на рис. 16.1 .

Рис. 16.1.

Поле преамбула содержит 7 байт 0хАА и служит для стабилизации и синхронизации среды (чередующиеся сигналы CD1 и CD0 при завершающем CD0), далее следует поле SFD (Start Frame Delimiter = 0xAB), которое предназначено для выявления начала кадра. Поле EFD ( End Frame Delimiter) задает конец кадра. Поле контрольной суммы (CRC - Cyclic Redundancy Check ), так же как и преамбула, SFD и EFD, формируются и контролируются на аппаратном уровне. В некоторых модификациях протокола поле EFD не применяется. Пользователю доступны поля, начиная с адреса получателя и кончая полем информация , включительно. После CRC и EFD следует межпакетная пауза (IPG - InterPacket Gap – межпакетный интервал ) длиной 96 бит -тактов (9,6 мкс для 10-мегабитного Ethernet ) или более. Максимальный размер кадра равен 1518 байт (сюда не включены поля преамбулы, SFD и EFD). Интерфейс просматривает все пакеты, следующие по кабельному сегменту, к которому он подключен: ведь определить, корректен ли принятый пакет и кому он адресован, можно лишь приняв его целиком. Корректность пакета по CRC , по длине и кратности целому числу байт определяется после проверки адреса места назначения. Вероятность ошибки передачи при наличии CRC -контроля составляет ~2 -32 . При вычислении CRC используется образующий полином R(x) :

R(x) = x 32 + x 26 + x 23 + x 22 + x 16 + x 12 + x 11 + x 10 + x 8 + x 7 + x 5 + x 4 + x 2 + x + 1 .

Алгоритм вычисления CRC сводится к вычислению остатка от деления кода M(x) , характеризующего кадр , на образующий полином R(x) (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection Access Method and Physical Layer Specification. Published by IEEE 802.3-1985. Wiley-Interscience, John & Sons, Inc .). CRC представляет собой дополнение полученного остатка R(x) . CRC вычисляется сетевым интерфейсом и пересылается, начиная со старших разрядов.

Для пересылки данных в сети (быстродействием <1 Гбит/с) используется манчестерский код , который служит как для передачи данных, так и для синхронизации. Каждый бит -символ делится на две части, причем вторая часть всегда является инверсной по отношению к первой. В первой половине кодируемый сигнал представлен в логически дополнительном виде, а во второй – в обычном. Таким образом, сигнал логического 0 – CD0 характеризуется в первой половине уровнем HI (+0,85 В) , а во второй - LO (-0,85 В) . Соответственно сигнал CD1 характеризуется в первой половине бит -символа уровнем LO , а во второй – HI . Примеры форм сигналов при манчестерском кодировании представлены на рис. 16.2 . Верхний уровень сигнала соответствует +0,85 В , нижний - -0,85 В .

Минимальная длительность пакета в Ethernet определяется тем, что отправитель должен узнать о столкновении пакетов, если оно произошло, раньше, чем закончит передачу кадра. При этом длительность передаваемого пакета должна быть больше удвоенного максимального времени распространения кадра до самой удаленной точки сетевого сегмента.

Здесь подразумевается сегмент, образуемый кабелями и повторителями. Минимальная длительность кадра, равная 64 байтам, была определена для конфигураций 10 Мбит/c сети с четырьмя повторителями и 500-метровыми кабельными сегментами. Наибольший вклад в задержку вносят повторители (если они используются).

Если размер пакета меньше 64 байт , добавляются байты-заполнители, чтобы кадр в любом случае имел соответствующий размер. При приеме контролируется длина пакета, и если она превышает 1518 байт , пакет считается избыточным и обрабатываться не будет. Аналогичная судьба ждет кадры короче 64 байт . Любой пакет должен иметь длину, кратную 8 бит ( целое число байт ). Если в поле адресата содержатся все единицы, адрес считается широковещательным, то есть обращенным ко всем рабочим станциям локального сегмента сети.

При подключении ЭВМ к сети непосредственно с помощью переключателя ограничение на минимальную длину кадра теоретически снимается. Но работа с более короткими кадрами в этом случае станет возможной лишь при замене сетевого интерфейса на нестандартный (причем как у отправителя, так и получателя) !

Пакет Ethernet может нести от 46 до 1500 байт данных. Формат MAC -адреса получателя или отправителя показан на рис. 16.3 .

В верхней части рисунка указана длина полей адреса, в нижней – нумерация разрядов. Субполе I/G представляет собой флаг индивидуального или группового адреса. I/G=0 – указывает на то, что адрес является индивидуальным адресом сетевого объекта. I/G=1 характеризует адрес как мультикастинговый, в этом случае дальнейшее разбиение адреса на субполя теряет смысл. Мультикастинговые адреса позволяют обращаться сразу к нескольким станциям в пределах субсети. Субполе U/L является флагом универсального или местного управления (определяет механизм присвоения адреса сетевому интерфейсу). U/L=1 указывает на локальную адресацию ( адрес задан не производителем и ответственность за уникальность лежит на администраторе LAN или на пользователе). U/L=I/G=0 характерно для стандартных уникальных адресов, присваиваемых интерфейсу его изготовителем. Субполе OUI (Organizationally Unique Identifier ) позволяет определить производителя сетевого интерфейса. Каждому производителю присваивается один или несколько OUI . Размер субполя позволяет идентифицировать около 4 миллионов различных производителей. За корректность присвоения уникального адреса интерфейса (OUA – Organizationally Unique Address) несет ответственность производитель. Двух интерфейсов одного и того же производителя с идентичными номерами не должно существовать. Размер поля позволяет произвести примерно 16 миллионов интерфейсов. Комбинация OUI и OUA составляют UAA (Universally Administrated Address = IEEE - адрес ).

Если в поле кадра протокол/тип записан код менее 1500, то это поле характеризует длину кадра. В противном случае – это код протокола, пакет которого инкапсулирован в поле данных кадра.

Доступ к каналу Ethernet базируется на алгоритме CSMA/CD ( Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection ). В Ethernet любая станция, подключенная к сети, может попытаться начать передачу пакета (кадра), если кабельный сегмент, к которому она подключена, свободен. Свободен ли сегмент, интерфейс определяет по отсутствию "несущей" в течение 96 бит -тактов. Так как первый бит пакета достигает остальных станций сети не одновременно, может случиться, что попытку передачи совершат две или более станций, тем более что задержки в повторителях и кабелях могут достигать достаточно больших величин. Такие совпадения попыток называются столкновениями . Столкновение ( коллизия ) распознается по наличию в канале сигнала, уровень которого соответствует работе двух или более трансиверов одновременно. При обнаружении столкновения станция прерывает передачу. Возобновление попытки может быть произведено после выдержки (кратной 51,2 мксек, но не превосходящей 52 мс), значение которой является псевдослучайной величиной и вычисляется каждой станцией независимо (T= RAND(0,2 min(N,10) ), где N – содержимое счетчика попыток, а число 10 - backoffLimit).

Обычно после столкновения время разбивается на ряд дискретных доменов с длиной, равной удвоенному времени распространения пакета в сегменте ( RTT ). Для максимально возможного RTT это время равно 512 бит -тактам. После первого столкновения каждая станция ждет 0 или 2 временного домена, прежде чем совершить еще одну попытку. После второго столкновения каждая из станций может выждать 0, 1, 2 или 3 временного домена и т.д. После n-го столкновения случайное число лежит в пределах 0 – (2 n – 1) . После 10 столкновений максимальное значение случайной выдержки перестает расти и остается на уровне 1023 .

Теперь рассмотрим поведение сети при наличии k станций, готовых к передаче. Если некоторая станция осуществляет передачу во время домена доступа с вероятностью p , вероятность того, что станция захватит канал, равна:

Достигает максимума при . при . Среднее число доменов на один доступ равно 1/А . Так как каждый домен имеет протяженность RTT , то средняя длительность времени доступа составит RTT/A . Если среднее время передачи кадра составляет P секунд, то при большом числе станций, готовых к передаче, эффективность канала составит P/(P+RTT/A) .

Таким образом, чем длиннее кабельный сегмент, тем больше среднее время доступа .

После выдержки при столкновении станция увеличивает на единицу счетчик попыток и начинает очередную передачу. Предельное число попыток по умолчанию равно 16; если число попыток исчерпано, связь прерывается и выдается соответствующее сообщение (о недоступности). При этом передаваемый кадр будет безвозвратно потерян.

Длинный кадр способствует "синхронизации" начала передачи пакетов несколькими станциями. Ведь за время передачи с заметной вероятностью может возникнуть необходимость передачи у двух и более станций. В момент, когда они обнаружат завершение пакета, будут включены таймеры IPG . К счастью, информация о завершении передачи пакета доходит до станций сегмента не одновременно. Но задержки, с которыми это связано, являются также причиной того, что факт начала передачи нового пакета одной из станций не становится известным немедленно. При вовлечении в столкновение нескольких станций они могут уведомить остальные станции об этом, послав сигнал "затора" ( JAM - не менее 32 бит ). Содержимое этих 32 бит не регламентируется. Такая схема делает менее вероятным повторное столкновение . Источником большого числа столкновений (помимо информационной перегрузки) может служить запредельная суммарная длина логического кабельного сегмента, слишком большое число повторителей, обрыв кабеля или неисправность одного из интерфейсов. Но сами

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.

Наибольшее распространение среди стандартных сетей получила сеть Ethernet. Впервые она появилась в 1972 году (разработчиком выступила известная фирма Xerox). Сеть оказалась довольно удачной, и вследствие этого ее в 1980 году поддержали такие крупнейшие компании, как DEC и Intel (объединение этих компаний назвали DIX по первым буквам их названий). Их стараниями в 1985 году сеть Ethernet стала международным стандартом, ее приняли крупнейшие международные организации по стандартам: комитет 802 IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) и ECMA (European Computer Manufacturers Association).

Стандарт получил название IEEE 802.3 (по-английски читается как "eight oh two dot three"). Он определяет множественный доступ к моноканалу типа шина с обнаружением конфликтов и контролем передачи, то есть с уже упоминавшимся методом доступа CSMA/CD. Этому стандарту удовлетворяли и некоторые другие сети, так как уровень его детализации невысок. В результате сети стандарта IEEE 802.3 нередко были несовместимы между собой как по конструктивным, так и по электрическим характеристикам. Однако в последнее время стандарт IEEE 802.3 считается стандартом именно сети Ethernet.

Основные характеристики первоначального стандарта IEEE 802.3:

топология – шина;

среда передачи – коаксиальный кабель;

скорость передачи – 10 Мбит/с;

максимальная длина сети – 5 км;

максимальное количество абонентов – до 1024;

длина сегмента сети – до 500 м;

количество абонентов на одном сегменте – до 100;

метод доступа – CSMA/CD;

передача узкополосная, то есть без модуляции (моноканал).

Строго говоря, между стандартами IEEE 802.3 и Ethernet существуют незначительные отличия, но о них обычно предпочитают не вспоминать.

Сеть Ethernet сейчас наиболее популярна в мире (более 90% рынка), предположительно таковой она и останется в ближайшие годы. Этому в немалой степени способствовало то, что с самого начала характеристики, параметры, протоколы сети были открыты, в результате чего огромное число производителей во всем мире стали выпускать аппаратуру Ethernet, полностью совместимую между собой.

В классической сети Ethernet применялся 50-омный коаксиальный кабель двух видов (толстый и тонкий). Однако в последнее время (с начала 90-х годов) наибольшее распространение получила версия Ethernet, использующая в качестве среды передачи витые пары. Определен также стандарт для применения в сети оптоволоконного кабеля. Для учета этих изменений в изначальный стандарт IEEE 802.3 были сделаны соответствующие добавления. В 1995 году появился дополнительный стандарт на более быструю версию Ethernet, работающую на скорости 100 Мбит/с (так называемый Fast Ethernet, стандарт IEEE 802.3u), использующую в качестве среды передачи витую пару или оптоволоконный кабель. В 1997 году появилась и версия на скорость 1000 Мбит/с (Gigabit Ethernet, стандарт IEEE 802.3z).

Помимо стандартной топологии шина все шире применяются топологии типа пассивная звезда и пассивное дерево. При этом предполагается использование репитеров и репитерных концентраторов, соединяющих между собой различные части (сегменты) сети. В результате может сформироваться древовидная структура на сегментах разных типов (рис. 7.1).

Рис. 7.1. Классическая топология сети Ethernet

В качестве сегмента (части сети) может выступать классическая шина или единичный абонент. Для шинных сегментов используется коаксиальный кабель, а для лучей пассивной звезды (для присоединения к концентратору одиночных компьютеров) – витая пара и оптоволоконный кабель. Главное требование к полученной в результате топологии – чтобы в ней не было замкнутых путей (петель). Фактически получается, что все абоненты соединены в физическую шину, так как сигнал от каждого из них распространяется сразу во все стороны и не возвращается назад (как в кольце).

Максимальная длина кабеля сети в целом (максимальный путь сигнала) теоретически может достигать 6,5 километров, но практически не превышает 3,5 километров.

В сети Fast Ethernet не предусмотрена физическая топология шина, используется только пассивная звезда или пассивное дерево. К тому же в Fast Ethernet гораздо более жесткие требования к предельной длине сети. Ведь при увеличении в 10 раз скорости передачи и сохранении формата пакета его минимальная длина становится в десять раз короче. Таким образом в 10 раз уменьшается допустимая величина двойного времени прохождения сигнала по сети (5,12 мкс против 51,2 мкс в Ethernet).

Для передачи информации в сети Ethernet применяется стандартный манчестерский код.

Доступ к сети Ethernet осуществляется по случайному методу CSMA/CD, обеспечивающему равноправие абонентов. В сети используются пакеты переменной длины со структурой, представленной на рис. 7.2. (цифры показывают количество байт)

Рис. 7.2. Структура пакета сети Ethernet

Длина кадра Ethernet (то есть пакета без преамбулы) должна быть не менее 512 битовых интервалов или 51,2 мкс (именно такова предельная величина двойного времени прохождения в сети). Предусмотрена индивидуальная, групповая и широковещательная адресация.

В пакет Ethernet входят следующие поля:

Преамбула состоит из 8 байт, первые семь представляют собой код 10101010, а последний байт – код 10101011. В стандарте IEEE 802.3 восьмой байт называется признаком начала кадра (SFD – Start of Frame Delimiter) и образует отдельное поле пакета.

Адреса получателя (приемника) и отправителя (передатчика) включают по 6 байт и строятся по стандарту, описанному в разделе "Адресация пакетов" лекции 4. Эти адресные поля обрабатываются аппаратурой абонентов.

Поле управления (L/T – Length/Type) содержит информацию о длине поля данных. Оно может также определять тип используемого протокола. Принято считать, что если значение этого поля не больше 1500, то оно указывает на длину поля данных. Если же его значение больше 1500, то оно определяет тип кадра. Поле управления обрабатывается программно.

Поле данных должно включать в себя от 46 до 1500 байт данных. Если пакет должен содержать менее 46 байт данных, то поле данных дополняется байтами заполнения. Согласно стандарту IEEE 802.3, в структуре пакета выделяется специальное поле заполнения (pad data – незначащие данные), которое может иметь нулевую длину, когда данных достаточно (больше 46 байт).

Поле контрольной суммы (FCS – Frame Check Sequence) содержит 32-разрядную циклическую контрольную сумму пакета (CRC) и служит для проверки правильности передачи пакета.

Таким образом, минимальная длина кадра (пакета без преамбулы) составляет 64 байта (512 бит). Именно эта величина определяет максимально допустимую двойную задержку распространения сигнала по сети в 512 битовых интервалов (51,2 мкс для Ethernet или 5,12 мкс для Fast Ethernet). Стандарт предполагает, что преамбула может уменьшаться при прохождении пакета через различные сетевые устройства, поэтому она не учитывается. Максимальная длина кадра равна 1518 байтам (12144 бита, то есть 1214,4 мкс для Ethernet, 121,44 мкс для Fast Ethernet). Это важно для выбора размера буферной памяти сетевого оборудования и для оценки общей загруженности сети.

Выбор формата преамбулы не случаен. Дело в том, что последовательность чередующихся единиц и нулей (101010...10) в манчестерском коде характеризуется тем, что имеет переходы только в середине битовых интервалов (см. раздел 2.6.3), то есть только информационные переходы. Безусловно, приемнику просто настроиться (синхронизоваться) при такой последовательности, даже если она по какой-то причине укорачивается на несколько бит. Последние два единичные бита преамбулы (11) существенно отличаются от последовательности 101010...10 (появляются переходы еще и на границе битовых интервалов). Поэтому уже настроившийся приемник легко может выделить их и детектировать тем самым начало полезной информации (начало кадра).

Для сети Ethernet, работающей на скорости 10 Мбит/с, стандарт определяет четыре основных типа сегментов сети, ориентированных на различные среды передачи информации:

10BASE5 (толстый коаксиальный кабель);

10BASE2 (тонкий коаксиальный кабель);

10BASE-T (витая пара);

10BASE-FL (оптоволоконный кабель).

Наименование сегмента включает в себя три элемента: цифра "10" означает скорость передачи 10 Мбит/с, слово BASE – передачу в основной полосе частот (то есть без модуляции высокочастотного сигнала), а последний элемент – допустимую длину сегмента: "5" – 500 метров, "2" – 200 метров (точнее, 185 метров) или тип линии связи: "Т" – витая пара (от английского "twisted-pair"), "F" – оптоволоконный кабель (от английского "fiber optic").

Точно так же для сети Ethernet, работающей на скорости 100 Мбит/с (Fast Ethernet) стандарт определяет три типа сегментов, отличающихся типами среды передачи:

100BASE-T4 (счетверенная витая пара);

100BASE-TX (сдвоенная витая пара);

100BASE-FX (оптоволоконный кабель).

Здесь цифра "100" означает скорость передачи 100 Мбит/с, буква "Т" – витую пару, буква "F" – оптоволоконный кабель. Типы 100BASE-TX и 100BASE-FX иногда объединяют под именем 100BASE-X, а 100BASE-T4 и 100BASE-TX – под именем 100BASE-T.

Подробнее особенности аппаратуры Ethernet, а также алгоритма управления обменом CSMA/CD и алгоритма вычисления циклической контрольной суммы (CRC) будут рассмотрены далее в специальных разделах курса. Здесь следует отметить только то, что сеть Ethernet не отличается ни рекордными характеристиками, ни оптимальными алгоритмами, она уступает по ряду параметров другим стандартным сетям. Но благодаря мощной поддержке, высочайшему уровню стандартизации, огромным объемам выпуска технических средств, Ethernet выгодно выделяется среди других стандартных сетей, и поэтому любую другую сетевую технологию принято сравнивать именно с Ethernet.

Развитие технологии Ethernet идет по пути все большего отхода от первоначального стандарта. Применение новых сред передачи и коммутаторов позволяет существенно увеличить размер сети. Отказ от манчестерского кода (в сети Fast Ethernet и Gigabit Ethernet) обеспечивает увеличение скорости передачи данных и снижение требований к кабелю. Отказ от метода управления CSMA/CD (при полнодуплексном режиме обмена) дает возможность резко повысить эффективность работы и снять ограничения с длины сети. Тем не менее, все новые разновидности сети также называются сетью Ethernet.

Что такое Ethernet

Ethernet – это наиболее распространённая технология организации локальных сетей. Стандарты Ethernet описывают реализацию двух первых уровней модели OSI – проводные соединения и электрические сигналы (физический уровень), а так же форматы блоков данных и протоколы управления доступом к сети (канальный уровень). Начнём с идеи, лежащей в основе Ethernet. Название Ethernet произошло от двух английских слов – ether (эфир) и net (сеть). Ethernet использует концепцию общего эфира. Каждый ПК посылает данные в этот эфир и указывает, кому они адресованы. Данные могут дойти до всех ПК сети, но обрабатывает их только тот ПК, которому они предназначены. Остальные ПК чужие данные игнорируют. Такая работа аналогична эфиру радиостанций. Все радиостанции транслируют свои передачи в общее электромагнитное поле – радиоэфир. Ваш радиоприёмник получает электромагнитные сигналы всех станций. Но слушаете вы не всё сразу, а ту станцию, которая вам нужна.

История Ethernet

Ethernet был разработан в 70-х годах XX века в Xerox PARC (Xerox Palo Alto Research Center) – научно-исследовательском центре Xerox. Может показаться неожиданным, что ведущую сетевую технологию разработала компания по производству копировальной техники. Тем не менее, в Xerox PARC в 70-е годы были разработаны: лазерный принтер, концепция ноутбука, графический интерфейс (1973 год, за 12 лет до выхода Windows 1.0), принцип WYSIWYG и многое другое. Однако руководство Xerox проявляло интерес только к разработкам в области печати/сканирования/копирования. Поэтому сейчас многие изобретения Xerox PARC ассоциируются с совсем другими именами. Так что помните – изобретение классной вещи само по себе ничего не гарантирует. Убедить остальных в том, что она классная, и запустить её на рынок – не менее сложные задачи.

Вернёмся к сетям. В начале 80-х годов Ethernet проходит стандартизацию. Появляется группа стандартов IEEE 802.3, описывающая Ethernet и по сей день. Тут опять надо сделать лирическое отступление и поговорить немного про стандартизацию. Сейчас в мире существует много организаций, принимающих стандарты. Например, наш Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации выпускает государственные стандарты (ГОСТы). Название организации обычно отображается в названии стандарта. Так, упомянутую группу стандартов IEEE 802.3 разработал и принял IEEE – Институт инженеров по электротехнике и электронике (Institute of Electrical and Electronics Engineers). Силы закона стандарты сейчас не имеют, применять их или нет – личное дело каждого. Но, если стандарт принят авторитетной организацией (IEEE – очень авторитетная организация), и его уже поддержали ведущие производители (за спиной первых стандартов Ethernet стояли DEC, Intel и Xerox), то лучше стандарта придерживаться. Иначе оборудование будет не совместимо с упомянутыми организациями, и его никто не купит.

Стандарт, который разработали DEC, Intel и Xerox, реализовывал общий эфир в прямом смысле слова. Все компьютеры сети подключались к общему коаксиальному кабелю. Коаксиальный кабель (coaxial, от co - совместно и axis - ось, то есть «соосный») – это кабель из пары проводников – центрального провода и окружающего его металлического цилиндра – экрана. Промежуток между проводом и экраном заполнен изоляцией, снаружи кабель так же покрыт изолирующей оболочкой. Такой кабель используется, например, в телевизионных антеннах.

В ранних сетях Ethernet коаксиальный кабель являлся носителем общего электромагнитного эфира. ПК подключались к общему кабелю с помощью специальных коннекторов. Такая структура соединения называется шинной, а сам общий кабель называют «шина».

Каждый ПК отправлял в шину электрические сигналы, все остальные ПК их получали. Дальше ПК должен был определить, кому реально этот сигнал адресован, и, соответственно, свои сигналы обработать, а чужие – проигнорировать. Несмотря на то, что Ethernet на коаксиальном кабеле уже давно не используется, механизм адресации данных и концепция общего эфира сохранились без изменений.

MAC-адреса

Рассмотрим подробнее, как на канальном уровне Ethernet данные из общего эфира распределяются по адресатам. Начнём, собственно, с адресации. На канальном уровне обмен данными идёт между сетевыми интерфейсами (network interface), то есть теми компонентами оборудования, которые физически соединены с сетью. Как правило, одно устройство имеет один сетевой интерфейс, то есть одно физическое соединение. Однако бывают и устройства с несколькими интерфейсам, например, в ПК можно поставить несколько сетевых контроллеров (network interface controller, NIC) и каждый подсоединить к сети. Поэтому в общем случае не следует путать устройства и их сетевые интерфейсы.

Все интерфейсы в пределах сети имеют собственные уникальные идентификаторы – MAC-адреса (Media Access Control address, адрес управления доступом к носителю данных). В сетях Ethernet используются 48-битные MAC-адреса. Их принято записывать в 16-ричной форме, разделяя байты знаком: или -. Например, 00-18-F3-05-19-4F.

Как правило, производитель раз и навсегда записывает MAC-адрес в оборудование при его изготовлении, и поменять MAC-адрес нельзя. Уникальность адресов достигается следующим образом. Первые 3 байта адреса обозначают производителя устройства и называются уникальным идентификатором организации (Organizationally Unique Identifier, OUI). Назначаются они не произвольно, их выдаёт IEEE. Любая организация, решившая производить сетевые интерфейсы, регистрируется в IEEE и получает свой идентификатор, уникальность которого гарантирует IEEE. Список уже розданных идентификаторов можно просмотреть на сайте IEEE . Последние 3 байта MAC-адреса производитель назначает сам и за их уникальностью следит тоже сам. Таким образом, при соблюдении производителями стандартов, ни у каких двух сетевых интерфейсов в мире MAC-адреса не совпадают. Ключевое слово – при соблюдении стандартов. Технически возможно изготовить интерфейс с произвольным MAC-адресом. Однако ни к чему хорошему это не приведёт.

Как не трудно догадаться, MAC-адреса нужны не сами по себе. MAC-адреса позволяют указать, кому именно предназначены данные, отправленные в общий эфир. Реализовано это следующим образом.

Данные в эфир передаются не однородным потоком, а блоками. Блоки эти на канальном уровне принято называть кадрами (frame). Каждый кадр состоит из служебных и полезных данных. Служебные данные – это заголовок, в котором указаны MAC-адрес отправителя, MAC-адрес назначения, тип вышестоящего протокола и тому подобное, а так же контрольная сумма в конце кадра. В середине кадра идут полезные данные – собственно то, что передаётся по Ethernet.

Контрольная сумма позволяет проверить целостность кадра. Сумму считает отправитель и записывает в конец кадра. Получатель вновь считает сумму и сравнивает её с той, что записана в кадре. Если суммы совпали, то, скорее всего, данные в кадре при передаче не повредились. Если же сумма не совпала, то данные точно повредились. Понять по контрольной сумме, какая именно часть кадра повреждена, невозможно. Поэтому в случае несовпадения суммы весь кадр считается ошибочным. Это примерно как если бы мы что-нибудь, на пример уголь, перевозили по аварийной железной дороге. Сначала мы бы загрузили уголь в вагоны. Вагоны имеют собственный вес, бесполезный для нас, но без вагонов по железной дороге перемещаться нельзя. Каждый вагон либо успешно целиком доедет в пункт назначения, либо попадёт в аварию и не доедет. Не бывает так, чтобы полвагона доехало, а полвагона осталось на разбитых путях.

Если кадр пришёл с ошибкой, его необходимо передать заново. Чем больше размер кадра, тем больше данных придётся передавать повторно при каждой ошибке. Плюс, пока интерфейс передаёт один большой кадр, остальные кадры вынуждены ждать в очереди. Поэтому передавать очень большие кадры не выгодно, и длинные потоки данных делятся на части между кадрами. С другой стороны, делать кадры короткими тоже не выгодно. В коротких кадрах почти весь объём будут занимать служебные данные, а полезных данных будет передано мало. Это характерно не только для Ethernet, но для многих других протоколов передачи данных. Поэтому для каждого стандарта существует свой оптимальный размер кадра, зависящий от скорости и надёжности сети. Максимальный размер полезной информации, передаваемой в одном блоке, называется MTU (maximum transmission unit). Для Ethernet он равен 1500 байт. То есть каждый Ethernet-кадр может нести не более 1500 байт полезных данных.

MAC-адреса и кадры позволяют разделить данные в общем Ethernet-эфире. Интерфейс обрабатывает только те кадры, MAC-адрес назначения которых совпадает с его собственным MAC-адресом. Кадры, адресованные другим получателям, интерфейс должен игнорировать. Достоинство такого подхода – простота реализации. Но есть и масса недостатков. Во-первых, проблемы безопасности. Любой может прослушать все данные, транслируемые в общий эфир. Во-вторых, эфир можно заполнить помехами. На практике, одна сбойная сетевая карта, постоянно отсылающая какие-то кадры, может повесить всю сеть предприятия. В-третьих, плохая масштабируемость. Чем больше компьютеров в сети, тем меньший кусочек эфира им достаётся, тем меньше эффективная пропускная способность сети.

Концепция эфира, MAC-адреса и Ethernet-кадры реализуют второй (канальный) уровень модели OSI. Этот уровень не претерпел изменений со времён первых стандартов Ethernet. Однако физический уровень сети Ethernet изменился радикально.