Локальные сети Ethernet. Реализации сети Ethernet

В рамках этой книги мы рассмотрим локальные сети, созданные с использованием наиболее популярной и распространенной в наши дни технологии - Ethernet. Данная технология появилась в 70-е годы XX века, когда инженер-исследователь из Массачусетского технологического института Билл Меткалф, сотрудничавший также с исследовательским центром компании Xerox в г. Пало-Альто, подготовил докторскую диссертацию, посвященную методикам организации компьютерных коммуникаций. Вскоре совместно со специалистами из корпораций Intel и DEC (Digital Equipment Corporation) фирма Xerox разработала на основе этой диссертации коммерческий стандарт, который и получил название Ethernet. Чуть позже, в 1980 году, стандарт Ethernet лег в основу универсальной спецификации для локальных сетей, построенных по принципу множественного доступа, определения несущей частоты и автоматического обнаружения сбоев (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection, CSMA/CD); эта спецификация, разработанная Институтом инженеров по радиотехнике и электронике (Institute of Electrical and Electronic Engineers, IEEE), получила название IEEE 802.3. Поскольку стандарты IEEE 802.3 и Ethernet крайне близки не только по своей идеологии, но и с точки зрения технической совместимости, в современной литературе их традиционно принято называть общим термином - Ethernet. Далее мы также будем придерживаться этой традиции.
Очевидно, что технология Ethernet накладывает собственные ограничения не только на архитектуру локальной сети, но и па ее технические характеристики. Причем подобные ограничения имеют несколько своеобразных логических уровней: с одной стороны, они определяют способ подключения
компьютеров к сети, с другой - подчеркивают различия между разными типами сетей по признаку используемого оборудования, типу кабеля или скорости передачи данных. Об этом мы и поговорим далее в этой главе.

В рамках стандарта Ethernet принято различать несколько типов построения распределенной вычислительной системы, исходя из ее топологической структуры. Фактически можно сказать, что топология локальной сети - это конфигурация кабельных соединений между компьютерами, выполненных по некоему единому принципу. Какая-либо конкретная топология сети выбирается, во-первых, исходя из используемого оборудования, которое, как правило, поддерживает некий строго определенный вариант организации сетевых подключений; во-вторых, на основе имеющихся требований к мобильности, масштабируемости и вычислительной мощности всей системы в целом. В ряде ситуаций возможна организация нескольких подсетей, построенных с использованием различных топологий и связанных впоследствии в единую сеть. В частности, применительно к стандарту Ethernet возможна организация локальных сетей с топологией «общая шина» или «звезда».

Топология «общая шина»

Технология построения локальной сети на основе топологии «общая шина» подразумевает последовательное соединение компьютеров в цепочку наподобие «гирлянды» с использованием специальных Т-образных разъемов (Т-коннекторов), подключаемых к соответствующему порту сетевого адаптера каждого из узлов сети. В качестве физической линии передачи данных применяется коаксиальный кабель с пропускной способностью 10 Мбит/с. Оконечности «цепочки», то есть ответвления Т-образных разъемов, к которым не подводится кабель для подсоединения к соседним компьютерам, ограничиваются специальными металлическими колпачками, создающими в сети необходимое сопротивление нагрузки, - они называются заглушками или терминаторами (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Конфигурация локальной сети с топологией «общая шина»

Следует отметить, что некогда весьма популярные локальные сети с топологией «общая шина» в настоящее время все больше и больше утрачивают свои позиции. Причина снижения их популярности вполне очевидна. Несмотря на видимую простоту прокладки и монтажа, - а для постройки такой сети необходимы лишь минимальные навыки обращения с пассатижами или паяльником - и относительную мобильность с точки зрения изменения конфигурации всей системы (ведь для того, чтобы переставить сетевой компьютер с места на место, достаточно лишь открутить и закрутить соответствующий разъем), такие сети имеют множество очевидных недостатков. И самый существенный из них - крайне низкая надежность. Достаточно произойти потере контакта в одном из терминаторов или многочисленных Т-коннекторов, что на практике случается достаточно часто, и целый сегмент локальной сети выходит из строя. В такой ситуации все сетевые компьютеры продолжают работать вполне стабильно, но неожиданно перестают «видеть» друг друга, вследствие чего системному администратору приходится последовательно проходить всю сеть, проверяя наличие контакта в разъемах, что занимает порой очень много времени. Именно поэтому топология «общая шина» идеально подходит для создания малой домашней сети «точка-точка», то есть для объединения двух компьютеров, но в случае более сложной и разветвленной сетевой структуры следует поразмыслить о возможности использования иной конфигурации.

Топология «звезда»

Альтернативой топологии «общая шина» в сетях Ethernet является звездообразная конфигурация локальной сети (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Конфигурация локальной сети с топологией «звезда»

В этом случае компьютеры соединяются между собой не последовательно, а параллельно, то есть каждый из узлов сети подключается собственным
отрезком провода к соответствующему порту некоего устройства, называемого концентратором, или хабом (от англ. hub - центр). В качестве линии передачи данных используется специальный неэкранированный кабель «витая пара» (twisted pair), который обеспечивает соединение со скоростью до 10 Мбит/с. Посредством «витой пары» возможна также организация сети из двух компьютеров по принципу «точка-точка», при этом машины можно подключать друг к другу напрямую, без использования концентратора, однако порядок монтажа контактов в разъемах сетевого шнура в этом случае несколько отличается от стандартного.
Преимущества топологии «звезда» по сравнению с «общей шиной» заключаются в более высокой надежности и отказоустойчивости локальной сети, в ней значительно реже возникают «заторы», да и конечное оборудование работает по «витой паре» на порядок быстрее. При этом в случае выхода из строя одного из узлов сети вся остальная система продолжает работать стабильно: полный отказ такой локальной сети происходит только при поломке концентратора. Безусловно, организация сетевой системы на основе топологии «звезда» требует значительно больших финансовых затрат, но они целиком и полностью оправдываются, когда речь заходит о необходимости обеспечить надежную связь между работающими в сети компьютерами.

Классы сетей Ethernet

Прежде чем мы перейдем к непосредственному рассмотрению принципов организации локальной сети, необходимо сказать несколько слов о технологических классах, на которые делятся сети стандарта Ethernet. Данные классы различаются, прежде всего, пропускной способностью линий, типом используемого кабеля, топологией и некоторыми иными характеристиками. Каждый из классов сетей Ethernet имеет собственное обозначение, отражающее его технические характеристики, такое обозначение имеет вид XBase/BroadY, где X - пропускная способность сети, обозначение Base или Broad говорит о методе передачи сигнала - основополосный (baseband) или широкополосный (broadband), и, наконец, число У отображает максимальную длину сегмента сети в сотнях метров, либо обозначает тип используемого в такой системе кабеля, который и накладывает ограничения на максимально возможное расстояние между двумя узлами сети, исходя из собственных технических характеристик. Например, сеть класса 10Base2 имеет пропускную способность 10 Мбит/с, использует метод передачи данных baseband и допускает максимальную длину сегмента в 200 м. Далее мы рассмотрим несколько существующих классов сетей Ethernet и поговорим об их особенностях и возможностях.

Класс 10Base5 (Thick Ethernet)

Класс 10Base5, который также иногда называют «толстым Ethernet», - это один из наиболее старых стандартов локальных сетей. Сегодня уже очень трудно отыскать в продаже оборудование этого типа, тем более трудно найти действующую сеть, работающую с данным типом устройств.
Сети стандарта 10Base5 использовали топологию «общая шина» и создавались на основе коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 50 Ом и пропускной способностью 10 Мбит/с. Общая шина локальной сети ограничивалась с обеих сторон терминаторами, однако помимо Т-коннекторов в подобных системах использовались специальные устройства, получившие общее название «трансиверы», которое произошло от совмещения английских понятий transmitter (передатчик) и receiver (приемник). Собственно, трансиверы являлись приемниками и передатчиками данных между работающими в сети компьютерами и самой сетью (рис. 3.3). Помимо функций собственно приемника-передатчика информации, трансиверы обеспечивали надежную электроизоляцию работающих в сети компьютеров, а также выполняли функции устройства, снижающего уровень посторонних электростатических помех. Максимальная длина коаксиального кабеля, протянутого между трансивером и сетевым адаптером компьютера (трансиверного кабеля) в таких сетях может достигать 25 м, максимальная длина одного сегмента сети (отрезка сети между двумя терминаторами) - 500 м, а минимальное расстояние между точками подключения - 2,5 м. Всего в одном сегменте сети 10Base5 может работать не более 100 компьютеров, при этом количество совместно работающих сегментов сети не должно превышать пяти.

Рис. 3.3. Конфигурация локальной сети класса 10Base5

Класс 10Base2

Локальные сети, относящиеся к классу 10Base2, который также иногда называют Thin Ethernet, являются прямыми «наследницами» сетей 10Base5. Как и в предыдущем случае, для соединения компьютеров используется тонкий экранированный коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50 Ом, оснащенный Т-коннекторами и терминаторами, однако в такой конфигурации Т-коннекторы подключаются к разъему сетевой карты напрямую, без использования каких-либо промежуточных устройств (рис. 3.1). Соответственно, такая сеть имеет стандартную конфигурацию «общая шина». Максимальная длина одного сегмента сети 10Base2 может достигать 185 м, при этом минимальное расстояние между точками подключения составляет 0,5 м. Наибольшее число компьютеров, подключаемых к одному сегменту такой сети, не должно превышать 30, максимально допустимое количество сегментов сети составляет 5. Пропускная способность данной сети, как это следует из обозначения ее класса, составляет 10 Мбит/с.

Класс 10BaseT (Ethernet на «витой паре»)

Одним из наиболее распространенных сегодня классов локальных сетей Ethernet являются сети 10BaseT. Как и стандарт 10Base2, такие сети обеспечивают передачу данных со скоростью 10 Мбит/с, однако используют в своей архитектуре топологию «звезда» и строятся с применением специального кабеля, называемого twisted pair, или «витая пара» (рис. 3.2). Фактически витая пара представляет собой восьмижильиый провод, в котором для обмена информации по сети используется лишь две пары проводников: одна - для приема сигнала, и одна - для передачи. В качестве центрального звена в звездообразной структуре локальной сети 10BaseT применяется специальное устройство, называемое хабом, или концентратором. Для построения распределенной вычислительной системы, состоящей из нескольких сетевых сегментов, возможно подключение нескольких хабов в виде каскада, либо присоединение через хаб к сети 10BaseT локальной сети другого класса (рис. 3.4), однако следует учитывать то обстоятельство, что общее число точек подключения в такой системе не должно превышать 1024.
Максимально допустимое расстояние между узлами сети 10BaseT составляет 100 м, но можно сказать, что это значение взято скорее из практики построения таких сетей, поскольку стандарт 10BaseT предусматривает иное ограничение: затухание сигнала на отрезке между приемником и источником не должно превышать порога в 11,5 децибела. Именно данный класс локальных сетей наравне с 10Base2 будет подробно рассматриваться далее на страницах этой книги.

Рис. 3.4. Пример реализации многосегментной локальной сети Ethernet

Класс10BaseF (Fiber Optic)

К классу10BaseF (другое название - Fiber Optic) принято относить распределенные вычислительные сети, сегменты которых соединены посредством магистрального оптоволоконного кабеля, длина которого может достигать 2 км. Очевидно, что в силу высокой стоимости такие сети используются в основном в корпоративном секторе рынка и по карману они достаточно крупным предприятиям, располагающим необхрдимыми средствами для организации подобной системы.
Сеть10BaseF имеет звездообразную топологию, которая, однако, несколько отличается от архитектуры, принятой для сетей 10BaseT (рис. 3.5).

Рис. 3.5. Конфигурация локальной сети класса10BaseF

Компьютеры каждого сегмента такой сети подключаются к хабу, который, в свою очередь, соединяется с внешним трансивером сети10BaseF посредством специального коммуникационного шнура, подключаемого к 15-контактному разъему AUI (Attachment Unit Interface). Задача трансивера состоит в том, чтобы, получив из своего сегмента сети электрический сигнал, трансформировать его в оптический и передать в оптоволоконный кабель. Приемником оптического сигнала является аналогичное устройство, которое превращает его в последовательность электрических импульсов, направляемых в удаленный сегмент сети.
Преимущества оптических линий связи перед традиционными неоспоримы. Прежде всего диэлектрическое волокно, используемое в оптоволоконных кабелях в качестве волноводов, обладает уникальными физическими свойствами, благодаря которым затухание сигнала в такой линии крайне мало: оно составляет величину порядка 0,2 дБ на километр при длине волны 1,55 мкм, что потенциально позволяет передавать информацию на расстояния до 100 км без использования дополнительных усилителей и ретрансляторов. Кроме того, в оптических линиях связи частота несущего сигнала достигает 1014 Гц, а это означает, что скорость передачи данных по такой магистрали может составлять 1012бит в секунду. Если принять во внимание тот факт, что несколько световых волн может одновременно распространяться в световоде в различных направлениях, то эту скорость можно значительно увеличить, организовав между конечными точками оптоволоконного кабеля двунаправленный обмен данными. Другой способ удвоить пропускную способность оптической линии связи заключается в одновременной передаче по оптоволокну нескольких волн с различной поляризацией. Фактически можно сказать, что на сегодняшний день максимально возможная скорость передачи информации по оптическим линиям пока еще не достигнута, поскольку достаточно жесткие ограничения на «быстродействие» подобных сетей накладывает конечное оборудование. Оно же «ответственно» и за относительно высокую стоимость всей системы в целом, поскольку диэлектрический кварцевый световод сам по себе значительно дешевле традиционного медного провода. В завершение можно упомянуть и тот факт, что оптическая линия в силу естественных физических законов абсолютно не подвержена воздействию электромагнитных помех, а также обладает существенно большим ресурсом долговечности, чем линия, изготовленная из стандартного металлического проводника.

Классы 100BaseT, 100BaseTX, 100ВаsеТ4 и 100BaseFX

Класс локальных сетей 100BaseT, называемый также Fast Ethernet, появился относительно недавно: он был создан в 1992 году группой разработчиков,
азываемой Fast Ethernet Alliance (FEA). Фактически Fast Ethernet явля-тся «наследником» сетей стандарта 10BaseT, однако в отличие от них по-воляет передавать данные со скоростью до 100 Мбит/с. "ак же как и сети 10BaseT, локальные сети Fast Ethernet имеют звездооб-азную топологию и могут быть собраны с использованием кабеля различ-ых типов, наиболее часто применяемым из которых является все та же ресловутая витая пара. В 1995 году данный стандарт был одобрен Инсти-утом инженеров по радиотехнике и электронике (Institute of Electrical and electronic Engineers, IEEE) и вошел в спецификацию IEEE 802.3 (это рас-шрение спецификации получило обозначение IEEE 802.3u), обретя тем 1мым официальный статус.
Поскольку класс сетей 100BaseT является прямым потомком класса OBaseT, в таких системах используются стандартные для Ethernet прото-элы передачи данных, а также стандартное прикладное программное обес-ечение, предназначенное для администрирования локальной сети, что зпа->1телыго упрощает переход от одного типа сети к другому. Предполагается, го в не столь отдаленном будущем эта технология вытеснит большинство дцествующих на сегодняшний день «устаревших» стандартов, оскольку в процессе разработки данной спецификации одной из основных дач являлось сохранение совместимости новой разновидности локальных:тей с различными типами кабеля, используемого в сетях старого образца, >1ло создано несколько модификаций стандарта Fast Ethernet. Технология)0BaseTX подразумевает использование стандартной витой пары пятой ггегории, в которой задействовано только четыре проводника из восьми веющихся: два - для приема данных, и два - для передачи. Таким образом, ;ети обеспечивается двунаправленный обмен информацией и, кроме того, тается потенциальная возможность для дальнейшего наращивания произво-ггельности всей распределенной вычислительной системы. В сетях 100BaseT4 кже используется витая пара, однако в пей задействованы все восемь жил юводника: одна пара работает только на прием данных, одна - только t передачу, а оставшиеся две обеспечивают двунаправленный обмен инфор-щией. Поскольку технология 100BaseT4 подразумевает разделение всех анодируемых по сети данных на три независимых логических канала (прием, редача, прием-передача), пропорционально уменьшается частота сигнала, о позволяет прокладывать такие сети с использованием менее качествен-то и, следовательно, более дешевого кабеля 3 или 4 категории, наконец, последний стандарт в семействе Fast Ethernet носит наименование 100BaseFX. Предназначен он для работы с оптоволоконными линиями связи.
Максимальная длина одного сегмента в сетях 100BaseT (кроме подкласса 100BaseFX) не превышает 100 м, в качестве конечного оборудования используются сетевые адаптеры и концентраторы, поддерживающие этот стандарт. Существуют также универсальные сетевые адаптеры 10BaseT/ 100BaseT. Принцип их работы состоит в том, что в локальных сетях этих двух классов используются одинаковые линии с одним и тем же типом разъемов, а задача автоматического распознавания пропускной способности каждой конкретной сети (10 Мбит/с или 100 Мбит/с) возлагается на протокол канального уровня, являющийся частью программного обеспечения самого адаптера. Алгоритм работы такого устройства можно проиллюстрировать на простом примере. При включении компьютера, оснащенного сетевым адаптером 10BaseT/100BaseT, последний выдает в сеть сигнал, информирующий другие сетевые устройства о том, что он способен поддерживать скорость передачи данных до 100 Мбит/с. Если оборудование локальной сети (например, хаб, к которому подключен данный компьютер) обеспечивает аналогичную скорость соединения, оно генерируют ответный сигнал, после чего адаптер продолжает работать в режиме 100BaseT. Если отклика не поступает, сетевая карта автоматически переходит в режим передачи данных со скоростью 10 Мбит/с, то есть переключается на работу в стандарте 10BaseT.
Несмотря на все преимущества спецификации 100BaseT, такие сети по сравнению с более старыми реализациями Ethernet не лишены и ряда недостатков, унаследованных ими от своего прародителя - стандарта 10BaseT. Прежде всего в моменты пиковой нагрузки, то есть в случае возникновения ситуации, при которой к ресурсам сети одновременно обращается более 50% всех узлов, на линии образуется хорошо знакомый пользователям 10BaseT «затор» - другими словами, сеть начинает заметно «тормозить». И во-вторых, если в распределенной вычислительной системе применяется комбинированная технология (одна часть сети работает со стандартом 10BaseT, другая - со стандартом 100BaseT), высокая скорость соединения будет возможна только на участке, поддерживающем пропускную способность в 100 Мбит/с. Поэтому даже если ваш компьютер оснащен сетевым адаптером 100BaseT, при обращении к удаленному узлу, оборудованному сетевой картой 10BaseT, скорость соединения не превысит 10 Мбит/с.

Класс1000BaseT (Gigabit Ethernet)

Чем быстрее растут вычислительные мощности современных персональных компьютеров, тем больше становится среднестатистический объем обрабатываемых с их помощью файлов. Соответственно возникает потребность в пропорциональном увеличении пропускной способности линий связи. В итоге это заметно ускорило процесс эволюции сетевых технологий: не успел окончательно прижиться стандарт 100BaseT, как ему на смену подоспел новый класс локальных сетей, позволяющих передавать информацию со скоростью до гигабита в секунду. Эти сети получили обозначение1000BaseT и альтернативное название Gigabit Ethernet.
В архитектуре сетей1000BaseT используется топология «звезда» на базе высококачественного кабеля «витая пара» категории 5, в котором задействованы все восемь жил, причем каждая из четырех пар проводников используется как для приема, так и для передачи информации. По сравнению с технологией 100BaseT, несущая частота в сетях1000BaseT увеличена вдвое, благодаря чему достигается десятикратное увеличение пропускной способности линии связи. При переходе от стандарта 10BaseT или 100BaseT к 1 OOOBaseT особые требования предъявляются к качеству монтажа сетевых розеток и разъемов: если сеть проложена в полном соответствии с существующими стандартами, она, скорее всего, сможет обеспечить требуемую скорость передачи данных, если же монтаж был выполнен с отклонениями от требований спецификации Ethernet, возникающие в соединениях помехи не позволят добиться расчетных характеристик. Как и в более ранних классах сетей XBaseT, длина одного сегмента Gigabit Ethernet не должна превышать 100 м.
Стандарт1000BaseT был официально подтвержден Институтом инженеров по радиотехнике и электронике (Institute of Electrical and Electronic Engineers, IEEE) в 1999 году, и включен в спецификацию IEEE 802.3. В настоящее время оборудование для данного типа сетей выпускается несколькими независимыми производителями компьютерного «железа».

Устройства switch в сетях 10BaseT

Одновременно с разработкой новых, более высокоскоростных технологий передачи данных, перед производителями компьютерного оборудования по-прежнему стояла задача найти какие-либо способы увеличения производительности локальных сетей Ethernet старого образца, минимизировав при этом как финансовые затраты на приобретение новых устройств, так и технологические затраты на модернизацию уже имеющейся сети. Поскольку класс 10Base2 был единодушно признан всеми разработчиками «вымирающим», эксперты сосредоточились на технологии 10BaseT. И подходящее решение вскоре было найдено.
Как известно, стандарт Ethernet подразумевает использование алгоритма широковещательной передачи информации. Это означает, что в заголовке любого пересылаемого по сети блока данных присутствует информация
о конечном получателе этого блока, и программное обеспечение каждого компьютера локальной сети, принимая такой пакет, всякий раз анализирует его содержимое, пытаясь «выяснить», стоит ли передать данные протоколам более высокого уровня (если принятый блок информации предназначен именно этому компьютеру) или ретранслировать его обратно в сеть (если блок данных направляется на другую машину). Уже одно это заметно замедляет работу всей локальной сети. А если принять во внимание тот факт, что устройства, используемые в качестве центрального модуля локальных сетей с топологией «звезда» - концентраторы, или хабы - обеспечивают не параллельную, а последовательную передачу данных, то мы обнаруживаем еще одно «слабое звено», которое не только снижает скорость всей системы, но и нередко становится причиной «заторов» в случаях, когда, например, на один и тот же узел одновременно отсылается несколько потоков данных от разных компьютеров-отправителей. Если возложить задачу первоначальной сортировки пакетов на хаб, то эту проблему можно было бы частично решить. Что и было проделано. Так появилось на свет устройство, впоследствии названное switch, или коммутатор. Switch полностью заменяет в структуре локальной сети 10BaseT хаб, да и выглядят эти два устройства практически одинаково, однако принцип работы коммутатора имеет целый ряд существенных различий. Основное различие заключается в том, что встроенное в switch программное обеспечение способно самостоятельно анализировать содержимое пересылаемых по сети блоков данных и обеспечивать прямую передачу информации между любыми двумя из своих портов независимо от всех остальных портов устройства. Давайте проиллюстрируем эту ситуацию на простом примере (рис. 3.6). Предположим, у нас имеется switch, оснащенный 16 портами. К порту 1 подключен компьютер А, который передает некую последовательность данных компьютеру С, присоединенному к 16-му порту. В отличие от хаба, получив этот пакет данных, switch не ретранслирует его по всем имеющимся в его распоряжении портам в надежде, что рано или поздно он достигнет адресата, а проанализировав содержащуюся в пакете информацию, передает его непосредственно на 16-й порт. В то же самое время на порт 9 коммутатора приходит блок информации из другого сегмента локальной сети 10BaseT, подключенного к устройству через собственный хаб. Поскольку этот блок адресован компьютеру В, он сразу отправляется на порт 3, к которому тот присоединен. Следует понимать, что эти две операции switch выполняет одновременно и независимо друг от друга. Очевидно, что при наличии 16 портов мы можем одновременно направлять через switch 8 пакетов данных, поскольку порты задействуются парами. Таким образом, суммарная пропускная способность данного устройства составит 8 х 10 = 80 Мбит/с,
что существенно ускорит работу сети, в то время как на каждом отдельном подключении сохранится стандартное значение 10 Мбит/с. Другими словами, при использовании коммутатора мы уменьшаем время прохождения пакетов через сетевую систему, не увеличивая фактическую скорость соединения.

Рис. 3.6. Принцип работы устройства switch

Репитеры (повторители)

Ранее уже упоминалось о том, что в локальных сетях любого класса предусмотрены жесткие ограничения на длину участка сети между двумя точками подключения. Данные ограничения связаны, прежде всего, с коэффициентом затухания сигнала в линии передачи данных, который не должен превышать определенного порогового значения: в противном случае уверенный прием информации станет невозможен. Больше всего в этом случае выигрывают сети, построенные с применением линий из оптического волокна. Поскольку коэффициент затухания в этой среде очень мал, оптоволоконный кабель можно прокладывать на значительные расстояния без потери качества связи. Вместе с тем, упомянутый способ объединения удаленных сегментов LAN в единую систему достаточно дорог. Как быть, если на каком-либо предприятии эксплуатируется стандартная локальная сеть с пропускной способностью в 10 Мбит/с, отдельные участки которой, например сеть бухгалтерии и склада, находятся на значительном удалении друг от друга, а перед руководством фирмы возникла необходимость объединить их между собой? Здесь нам на помощь приходят специальные устройства, называемые репитерами или повторителями.
Репитеры оснащены как минимум двумя, а иногда и большим числом сетевых портов с одним из стандартных интерфейсов, и присоединяются они непосредственно к локальной сети на максимально допустимом-расстоянии от ближайшей точки подключения (для сетей класса 10BaseT оно составляет 100 м). Получив сигнал с одного из своих портов, репитер формирует его заново с целью исключить любые потери и искажения, произошедшие в процессе его передачи, после чего ретранслирует результирующий сигнал на все остальные порты. Таким образом, при прохождении сигнала через репитер происходит его усиление и очистка от посторонних помех. В некоторых случаях повторитель выполняет также функцию разделения ретранслируемых сигналов: если на одном из портов постоянно фиксируется поступление данных с ошибками, это означает, что в сегменте сети, подключенном через данный порт, произошла авария, и репитер перестает принимать сигналы с этого порта, чтобы не передавать ошибки всем остальным сетевым сегментам, то есть не транслировать их на всю сеть.
Вместе с тем при практическом использовании репитеров вступают в силу достаточно жесткие правила, регламентирующие их число и расположение в локальной сети. Основной недостаток повторителей заключается в том, что в момент прохождения сигналов через это устройство происходит заметная задержка при пересылке данных. Протоколы канального уровня Ethernet, использующие стандарт CSMA/CD, отслеживают сбои в процессе передачи информации, и если коллизия была зафиксирована, передача повторяется через случайный промежуток времени. В случае если число репитеров на участке между двумя компьютерами локальной сети превысит некоторое значение, задержки между моментом отправки и моментом приема данных станут настолько велики, что протокол попросту не сможет проконтролировать правильность пересылки данных, и обмен информацией между этими компьютерами станет невозможен. Отсюда возникло правило, которое принято называть «правилом 5-4-3». Формулируется оно следующим образом: на пути следования сигнала в сети Ethernet не должно встречаться более 5 сегментов и более 4 репитеров, причем только к 3 из них могут быть подключены конечные устройства (рис. 3.7, а).
При этом в целом в локальной сети может присутствовать более 4 повторителей, правило регламентирует только количество репитеров между двумя
любыми точками подключения. В некоторых случаях повторители устанавливают парами и объединяют между собой проводом, в этом случае между двумя компьютерами в сети не может присутствовать более двух таких пар (рис. 3.7, б).

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.

Слово Ethernet произошло от двух слов «ether» или эфир и «net» — сеть. То есть в переводе получится эфирная сеть.

Надо понимать, что Ethernet и Интернет – это совершенно разные вещи. Так, Ethernet – это технология, с помощью которой информация передается между компьютерами, связанными в локальную сеть. В тоже время Интернет – это глобальная система взаимодействующих друг с другом компьютерных сетей во всем мире. По сути, это всемирное информационное пространство, которое создано на базе протокола IP.

Ethernet технология используется в промышленности, офисах, сотовой связи, везде, где реализован обмен данными между машинами. Технология является своего рода заменителем радиовещания.

Используются специально разработанные стандарты для трансляции . Их называют протоколами. Это Fast и Gigabit Ethernet, и самый максимальный 10G Ethernet. Последний только развивается. При передаче информации по технологии 10 гигабитного интернета будет использоваться оптоволокно, в отличие от обычного гигабитного, где используется медный провод.

Немного истории

Эта технология появилась в 1973 году. Но сам стандарт был утвержден и разработан только в 1980. А в 1981 году был выпущен первый трансивер или приемопередатчик. В 1983 появился стандарт IEEE 802,3 технологии Ethernet.

Сетевой адаптер появился немногим позже, в 1982. В 1985 году был запущен Ethernet II, а уже через пять лет появилась всем знакомая технология 10 BaseT – витая пара. И последним витком истории технологии является 1995 год, когда был введен Fast Ethernet или современный 100 BaseT.

Как это работает

Работает технология Gigabit Ethernet в отличие от своих предшественников используя четырех-парный кабель. Этот провод является самым надежным и защищенным от всякого рода коллизий.

Передача данных кодируется не двумя уровнями, а четырьмя (00, 01, 10, 11). Получается, что в один кадр входит сразу два бита.

Кадром называется пакет из восьми заголовков, которые содержат в себе адреса получателя и отправителя, задачи для адаптеров для синхронной приемо-передачи информации, полей контрольных сумм и самой информации. Сейчас повсеместно используется кадр формата 802,3 технологии Изернет. Он и определяет все эти восемь заголовков.

Передача информации происходит следующим образом – информация в одном компьютере формируется в кадр, кодируется и через сетевой адаптер поступает к адаптеру другого устройства, где тот расшифровывает ее и посылает на экран пользователя в виде необходимых ему данных.

На рисунке показан двухуровневый сигнал , который использовался раньше и четырехуровневый – более современный.

Такая схема называется амплитудно-импульсным кодированием . Она создана для того, чтобы снизить частоту напряжения до 125 Мегагерц. А адаптер уже выбирает сам из общего канала свой переданный сигнал для получения сигнала от другого компьютера.

Ethernet – коллизии

Езернет коллизии – это ошибки, которые могут происходить во время передачи данных между персональными устройствами. Это слово происходит от английского collision – столкновение.

Чаще всего такие ошибки возникают потому, что одна станция начинает отправлять информацию раньше другой . То есть, пока другой компьютер отправляет данные и информация находится в середине пути, второе устройство начинает свою передачу. В результате пакеты информации сталкиваются не достигнув цели, устройства прослушав протоколы и обнаружив такие ошибки, прерывают передачу. Такие коллизии часто происходили, когда подключение происходило по коаксиальному Ethernet кабелю или по витой паре, состоящей из двух пар.

Сейчас при полном дуплексном режиме такое случается редко.

Как происходит подключение

Ранее подключение между компьютерами происходило с помощью коаксиальных кабелей, специальных переходников и трансиверов, если приходилось соединять толстые и тонкие кабеля. В случае повреждения хотя бы одного кабеля, вся сеть переставала работать.

Для передачи сигналов на данный момент используется кабель витая пара и коннекторы RJ45, которые подключаются к компьютерам и другим периферийным устройствам, или роутеру. Сейчас все более получает распространение оптоволоконный кабель. Здесь скорость разумеется в разы больше. Преимущество оптоволокна в его надежности и защите от всякого рода коллизий.

При подключении к сети на каждом компьютере устанавливается Ethernet контроллер или, как его еще называют, сетевая карта, которая выполняет своего рода шифрование и дешифрование полученной и отправляемой им информации. А портом Ethernet называется интерфейс входа на сетевой карте, который обычно называют lan порт.

Разновидности Ethernet

Существует несколько разновидностей сетевой технологии Ethernet, каждый из которых зависит от скорости и передающей среды. Ранние разновидности были следующими:

• Xerox Ethernet со скорость 3 мегабита в секунду.
• 1base5 со скоростью 1 Мб/с , но использовал витую пару.

Десяти мегабитный Езернет имел такие модификации:

• 10base5 со скоростью 10 мегабит с использованием толстого коаксиального кабеля.
• 10base2. Использовался тонкий кабель, но нужны были терминаторы или переходники на каждом конце.
• 10baseT – использовалась витая пара, но максимальная длина провода могла составлять только 100 метров от маршрутизатора.

Быстрый (Fast) подразделяется на:

• 100 baseT – скорость 100 Мб/с , использование витой пары. Длина – 100 метров от маршрутизатора.
• 100base fx – скорость 100 Мб/с . Длина от 400 метров до 2 километров в полном дуплексе.

Гигабитный:

• 1000 base lx – использование оптического волокна для передачи данных. Для одномодового – длина равняется 5 километрам, а для многомодового – 550 метров.
• 1000 base sx – также используется оптическое волокно, а длина передачи данных составляет всего 550 метров.
• 1000base T – для передачи информации используется витая пара стандарта 5е.

10 гигабитный:

• 10gbase t — применяется витая пара категории 6е.
• 10gbase lx4 – используется оптоволокно. Одномодовое – 10 километров. Многомодовое – 300 метров.
• 10 gbase cx4 – нужен кабель из меди cx4 и коннекторы InfiniBand.

MAC-адрес

Мак адрес или адрес персонального устройства, который дается ему при изготовлении, является идентификатором, дающим определение той или иной компьютерной единице в сети.

Он позволяет идентифицировать хост и поставлять ему те или иные данные, информацию. Благодаря этому можно избежать тех или иных коллизий, которые могут возникнуть при передаче информации. Таким образом данные всегда строго поступят тому компьютеру, которому они назначались.

Найти его можно открыв свойства вашего сетевого адаптера. Он состоит из шестнадцатеричного набора цифр и букв. Он присваивается не только ПК, но и принтерам, маршрутизаторам, роутерам и другим устройствам, которые работают в локальной или всемирной сети.

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.

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