11.7.1. Общий обзор технологии Ethernet

11.7.2. Технология случайного множественного доступа CSMA

11.7.3. Стандарты технологии Ethernet

11.7.1. Общий обзор технологии Ethernet

Ethernét (от лат. aether — эфир) — пакетная технология компьютерных сетей, преимущественно локальных. Технология Ethernet является классической реализацией топологии «общая шина».

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 802.3. Ethernet стал самой распространённой технологией построения сетей.

В стандарте первых версий Ethernet в качестве передающей среды использовался коаксиальный кабель, в дальнейшем появилась возможность использовать витую пару, оптический кабель и радиоканал.

Метод управления доступом — множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий (CSMA/CD, Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), скорость передачи данных 100 Мбит/с, размер пакета от 72 до 1526 байт, описаны методы кодирования данных. Количество узлов в одном разделяемом сегменте сети ограничено предельным значением в 1024 рабочих станции.

Для адресации абонента в Ethernet сети используется MAC адрес. Это уникальный шестнадцатеричный серийный номер, назначаемый каждому сетевому устройству Ethernet, для идентификации его в сети. MAC адреса имеют длину 6 байт и обычно записываются шестнадцатеричным числом в виде 12:34:56:78:90:AB (двоеточия могут отсутствовать, но их наличие делает адрес более читабельным).

11.7.2. Технология случайного множественного доступа CSMA

CSMA/CD (Carrier-Sense Multiple Access with Collision Detection — множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий) - технология множественного доступа к общей передающей среде в локальной сети с контролем коллизий. Если во время передачи фрейма рабочая станция обнаруживает другой сигнал, занимающий передающую среду, она останавливает передачу, посылает jam signal и ждет в течение случайного промежутка времени (известного как «backoff delay» и находимого с помощью алгоритма truncated binary exponential backoff), перед тем как снова отправить фрейм.

В радиосетях используется модификация случайного множественного доступа CSMA/CA.

Технология передачи CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) решает следующие задачи:

- Контроль среды передачи (радиосреды либо кабеля). Когда абонент собирается передавать данные в сеть методом CSMA/CD, он должен сначала проверить, передает ли в это же время по этому же кабелю свои данные другой абонент. Другими словами проверить состояние носителя: занят ли он передачей других данных.

- Множественный доступ. Это означает, что несколько абонентов могут начать передачу данных в сеть одновременно.

- Обнаружение конфликтов. Это главная задача метода CSMA/CD. Когда абонент готов передавать данные, он проверяет состояние носителя. Если кабель занят, абонент не посылает сигналы, а ожидает когда освободится носитель. Если же абонент не слышит передаваемых данных в носителе, то он начинает передавать данные сам. Так же может случиться, что прослушивают носитель сразу два абонента готовые к передаче. И когда носитель освобождается, оба узла начинают передавать данные одновременно. В этом случае в носителе происходит смешение сигналов, из-за чего теряются данные. Такая ситуация называется конфликтом или коллизией (рисунок 11.12).

Во время коллизии прием данных невозможен, поэтому оба абонента ожидают в течении случайного промежутка времени, после которого посылают сигналы заново. Случайные промежутки времени для разных абонентов создаются автоматически, для того чтобы не повторить коллизию. Абонент, у которого промежуток времени меньше, начнет передавать данные раньше. Таким образом, происходит "захват" носителя для передачи данных.

Обнаружение коллизий используется для улучшения производительности CSMA с помощью прерывания передачи сразу после обнаружения коллизии и снижения вероятности второй коллизии во время повторной передачи. Методы обнаружения коллизий зависят от используемого оборудования, но на электрических шинах, таких как Ethernet, коллизии могут быть обнаружены сравнением передаваемой и получаемой информации. Если она различается, то другая передача накладывается на текущую (возникла коллизия) и передача прерывается немедленно. Посылается jam signal («пробка»), что вызывает задержку передачи всех передатчиков на произвольный интервал времени, снижая вероятность коллизии во время повторной попытки (рисунок 11.13).

Рисунок 11.13 - Алгоритм CSMA/CD

Обнаружение коллизий используется для улучшения производительности CSMA с помощью прерывания передачи сразу после обнаружения коллизии и снижения вероятности второй коллизии во время повторной передачи. Методы обнаружения коллизий зависят от используемого оборудования, но на электрических шинах, таких как Ethernet, коллизии могут быть обнаружены сравнением передаваемой и получаемой информации. Если она различается, то другая передача накладывается на текущую (возникла коллизия) и передача прерывается немедленно. Посылается jam signal («пробка»), что вызывает задержку передачи всех передатчиков на произвольный интервал времени, снижая вероятность коллизии во время повторной попытки (рисунок 11.13).

Методы обнаружения коллизий зависят от используемого оборудования, но на электрических шинах, таких как Ethernet, коллизии могут быть обнаружены сравнением передаваемой и получаемой информации. Если она различается, то другая передача накладывается на текущую (возникла коллизия) и передача прерывается немедленно. Посылается jam signal, что вызывает задержку передачи всех передатчиков на произвольный интервал времени, снижая вероятность коллизии во время повторной попытки.

11.7.3. Стандарты технологии Ethernet

В 1995 году принят стандарт IEEE 802.3u Fast Ethernet со скоростью 100 Мб/с и появилась возможность работы в режиме полный дуплекс. В 1997 году был принят стандарт IEEE 802.3z Gigabit Ethernet со скоростью 1000 Гб/с для передачи по оптоволокну и по витой паре.

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 авто определение скорости и дуплексности, для достижения наилучшего соединения между двумя устройствами. Если авто определение 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.

Наиболее распространенными на сегодняшний день являются следующие стандарты Ehternet:

- 10BASE-T, IEEE 802.3i — для передачи данных используется 4 провода кабеля витой пары (две скрученные пары) категории UTP-3 или UTP-5. Максимальная длина сегмента 100 м. Скорость передачи до 10 Мбит/с.

- 100BASE-T (основной, используемый в настоящий момент) — общий термин для обозначения стандартов, использующих в качестве среды передачи данных витую пару. При этом витая пара UTP-5 является самым распространенным физическим стандартом Ethernet сети. Расположение контактов при использовании витой пары UTP-5 и разъёма RJ-45 приведен на рис. 11.14. Длина сегмента до 100 м. Включает в себя стандарты 100BASE-TX, 100BASE-T4 и 100BASE-T2. Задействована витая пара категории 5. Скорость передачи до 100 Мбит/с.

- 1000BASE-T, IEEE 802.3ab — стандарт, использующий витую пару UTP категорий 5e или 6. В передаче данных участвуют все 4 пары. Скорость передачи данных — 250 Мбит/с по одной паре (всего до 1000 Мбит/с).

Перспективные развития стандарта Ethernet:

- 10GBASE-T, IEEE 802.3an-2006 — принят в июне 2006 года. Использует экранированную витую пару STP. Расстояние передачи — до 100 м.

- 10GBASE-SR — Технология 10 Гигабит Ethernet для коротких расстояний (до 26 или 82 м в, в зависимости от типа кабеля), используется многомодовое оптоволокно. Он также поддерживает расстояния до 300 м с использованием нового многомодового оптоволокна (2000 МГц/км).

- 10GBASE-LX4 — использует уплотнение по длине волны в оптических каналах (технология WDM) для поддержки расстояний от 240 до 300 м по многомодовому оптоволокну. Также поддерживает расстояния до 10 км при использовании одномодового оптоволокна.

Рисунок 11.14 - Расположение контактов при использовании витой пары UTP-5 и разъема RJ-45

В 100-мегагерцным Ethernet (T4, TX и FX) используется 8-контактный разъем (RJ-45) для скрученных пар UTP и STP или специальный оптоволоконный соединитель. Сравнительный анализ характеристик различных стандартов 100 BASE приведен в таблицах 11.1 - 11.3.

Таблица 11.1 - Максимальные размеры логического кабельного сегмента

Таблица 11.2 - Типовые задержки для различных устройств Fast Ethernet

За счет использования повторителей и мостов возможна организация сетей Ethernet сложной конфигурации. Типовой вариант использования мостов и повторителей приведен на рис. 11.15, а требования к параметрам отдельных сегментов (на рис. 11.15) приведены в таблице 11.3.

Рисунок 11.15 - Типовой вариант использования мостов и повторителей в сети Ethernet

Таблица 11.3 - Требования к параметрам отдельных сегментов на рис. 11.15