Когда был разработан первый сетевой стандарт ethernet

Когда был разработан первый сетевой стандарт ethernet

Сети делятся на локальные (LAN — Local Area Network) и глобальные (WAN — Wide Area Network). Локальными сетями принято называть сети, которые используются в зданиях, школах и организациях. Глобальными считают сети в масштабах города, страны, континента.

К локальным сетям предъявляли простые требования: одни должны были объединять все сетевые устройства предприятия, предоставлять достаточную пропускную способность и быстродействие.

Для удовлетворения этих требований было разработано несколько технологий LAN: Token Ring, FDDI, Ethernet.

Token Ring и FDDI использовали кольцевую топологию и были сложны в реализации. Поэтому и были вытеснены другой технологией — Ethernet, которая до сих пор используется и развивается.

В этом уроке мы и рассмотрим Ethernet.

Ethernet описывается стандартами группы IEEE 802.3 и работает на канальном уровне. Данная технология непрерывно развивалась и на данный момент имеет следующие стандарты:

  • Ethernet 10BASE-T со скоростью передачи данных 10Мбит/с по витой паре 3-й категории и выше.
  • Fast Ethernet 100BASE-T со скоростью передачи данных 100Мбит/с по витой паре 5-й категории.
  • Gigabit Ethernet 1000BASE-T со скоростью передачи данных 1000Мбит/с по витой паре 5-й категории.
  • 10 Gigabit Ethernet 10GBASE-T со скоростью передачи данных 10 Гбит/с по витой паре 6-й категории.

А что это за категории такие?

Категории описывают характеристики кабеля для передачи данных на большой скорости. Чем выше категория, тем лучше характеристики.

А можно использовать и другие кабели?

Конечно. Это всего лишь часть стандартов. Существуют и стандарты для передачи по оптическим кабелям. Максимальная длина между 2-мя устройствами составляет 100 м при передачи по кабелям UTP/STP. UTP/STP кабели представляют собой симметричный кабель, состоящий из 4 скрученных между собой пар (медных проводников). Для вышеописанных стандартов используются только 2 пары для связи. В технологиях 1000BASE-T и 10GBASE-T используются все 4 пары.

А как работает Ethernet?

Ethernet изначально разрабатывалась с общей средой передачи данных и использовала топологию типа Общая шина (Bus). То есть в любой момент времени только одно устройство могло осуществлять передачу. Если 2 и более устройств начинали передачу, то возникала коллизия, которая не позволяла сети нормально функционировать. Поэтому была придумана технология, которая бы в определенной степени управляла процессом — CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий. Благодаря данной технологии каждому устройству выделялось ограниченное время для передачи данных.

В настоящее время в данной технологии нет необходимости, так как для каждого устройства выделяется свой канал передачи. Достигается это благодаря коммутаторам. Кроме того, это позволяет устройствам работать в дуплексном режиме. Работу коммутаторов мы подробно рассмотрим в одном из следующих уроков.

Как мы уже знаем Ethernet используется на канальном уровне. При поступлении пакета данных с сетевого уровня на канальный к пакету добавляется специальный заголовок. Рассмотрим структуру кадра. Существуют 4 типа кадра, которые отличаются дополнительными полями. В этом уроке мы рассмотрим тип кадра Ethernet II, так как он и используется с IP протоколом

Преамбула — своего рода метка начала кадра, чтобы сетевые устройства могли знать где заканчивается один кадр и начинается другой.

Адрес отправителя — MAC-адрес отправителя, то есть адрес устройства, отправившего данный кадр.

Адрес получателя — MAC-адрес получателя, то есть адрес устройства, для которого и предназначен данный кадр.

E-type — тип протокола сетевого уровня, в нашем случае это IP.

Payload — пакет с сетевого уровня.

FCS — контрольная сумма кадра. Используется для проверки на ошибки при приеме кадра.Перед отправкой кадра вычисляется контрольная сумма самого кадра. Результат вставляется в поле FCS. Принимающее устройство также вычисляет контрольную сумму и если она не совпадает со значением в FCS, то кадр уничтожается.

Что такое МАС адрес и для чего он используется?

МАС адрес используется для идентификации устройства на канальном уровне. Иными словами он идентифицирует саму сетевую карту каждого устройства (компьютера, маршрутизатора и так далее). Адрес состоит из 48 бит (6 байтов) и всегда записывается в шестнадцатеричном виде. Например так: В2-00-32-AA-C1-90.

Каждый MAC адрес уникальный, то есть не существуют двух одинаковых адресов. Все адреса назначаются на заводе изготовителя и в большинстве случаев их нельзя изменить. Однако не некоторых устройствах такая возможность все же существует. Первая половина адреса (первые 3 октета/байта) идентифицирует производителя оборудования, вторая половина назначается произвольно

Зачем использовать МАС адрес, если уже есть IP адрес?

Все очень просто. При поступлении кадра на сетевую карту сетевое устройство должно определить адресован ли кадр ему или другому устройству. Если кадр адресован ему, то он передает его на сетевой уровень. Если нет, то кадр уничтожается и таким образом не расходуются ресурсы на обработку ненужных кадров. Данная процедура происходит на каждом уровне, то есть адресация присуща каждому уровню. Например,

на канальном уровне — МАС адреса

на сетевом уровне — IP адреса

на транспортном уровне — порты.

Как видно, каждый уровень фильтрует поступающие данные и бережет ресурсы процессора.

Персональные инструменты

Ethernet

Communications protocol
Purpose Локальная сеть Developer(s) Intel и Xerox Introduced 22 мая 1973 года Influenced Развитие компьютерных сетей в целом OSI layer физический, канальный Port(s) RJ-45 RFC(s) IEEE группы 802.3

Ethernet (Локальная сеть) (англ. Ethernet от англ. ether — «эфир» и англ. network — «сеть, цепь») — семейство технологий пакетной передачи данных между устройствами для компьютерных и промышленных сетей. Стандарты Ethernet определяют проводные соединения и электрические сигналы на физическом уровне, формат кадров и протоколы управления доступом к среде — на канальном уровне модели OSI [рис.5]. Ethernet в основном описывается стандартами IEEE группы 802.3. Ethernet стал самой распространённой технологией ЛВС в середине 1990-х годов, вытеснив такие устаревшие технологии, как Token Ring, FDDI и ARCNET.

Содержание

Становление технологии Ethernet

Название «Ethernet» (буквально «эфирная сеть» или «среда сети») отражает первоначальный принцип работы этой технологии: всё, передаваемое одним узлом, одновременно принимается всеми остальными (то есть имеется некое сходство с радиовещанием). В настоящее время практически всегда подключение происходит через коммутаторы (switch), так что кадры, отправляемые одним узлом, доходят лишь до адресата (исключение составляют передачи на широковещательный адрес) — это повышает скорость работы и безопасность сети. [Источник 1]

Ethernet является одной из самых распространенных при построении компьютерных сетей технологией. Существует множество разновидностей данного протокола для различных сред передачи, необходимой полосы пропускания и расстояний между оконечными устройствами.

О том, что такое Ethernet, стало известно в семидесятых годах XX столетия. Появление Ethernet принято датировать 22 мая 1973 года, в связи с публикацией Робертом Меткалфом [рис.1](Robert Metcalf) и Дэвидом Боггсом (David Boggs) описания экспериментальной сети, построенной ими в исследовательском центре фирмы Xerox.

Рисунок 1 — Роберт Меткалф — один из создателей Ethernet

После Гарварда Меткалфу подвернулась работа в исследовательском центре Xerox Palo Alto Research Center, там нужно было создать технологию подключения разработанных в PARC персональных компьютеров Alto к недавно созданному в том же центре лазерному принтеру. Ни один из существовавших на тот момент способов подключения не обеспечивал нужную скорость передачи данных. Напарник по работе, Дэвид Боггс, имел образование радиоинженера. Это Боггс подсказал идею использовать радио в качестве прототипа для среды-носителя. Объединив знания по передаче пакетов с радио, они составили отличную связку. Вместе 22 мая 1973 года они написали внутренний документ, где были описаны механизмы передачи данных по разным видам соединений (по телефонному каналу, по коаксиальному кабелю и по радио) с использованием протоколов ALOHAnet, однако он немного отличался от проекта в Xerox и являлся предпосылкой к созданию Ethernet. Любопытно, что в самом Xerox PARC проект, позже названный Ethernet, взял верх над проектом SIGNET (Simonyi’s Infinitely Glorious NETwork) Чарльза Симони. [Источник 2]

Первая версия спецификации (Ethernet I) была выпущена в 1983 году в виде стандарта IEEE 802.3. Стандартом определялась шинная топология сети. Передача данных в сетях этого типа возможна по коаксиальному кабелю со скоростью 10 Мбит/с (стандарты IEEE 10Base5 и 10Base2). В 1985 году была выпущена вторая версия спецификации IEEE 802.3 (Ethernet II), которая изменила структуру пакета данных, обеспечила идентификацию адресов в сети (MAC-addresses) и возможность регистрации уникальных адресов. В 1990 году была выпущена спецификация Ethernet для витых пар (стандарт 10Base-T), в 1991 году — стандарт IEEE 802.3i для неэкранированных витых пар, а в 1993 году — спецификация для волоконно-оптического кабеля (стандарт 10Base-FL). В 1990-х годах начали развиваться беспроводные сети: так называемые радио-Ethernet (базовый стандарт — IEEE 802.11), а также — Fast Ethernet (стандарт 100BaseTX), Gigabit Ethernet (стандарт 100BaseTX). Метод доступа, используемый в кабельных сетях Ethernet — CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection, множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов). Этот протокол описан в Ethernet — и Fast Ethernet-стандартах. В соответствии с этим протоколом устройства начинают передачу данных только после обнаружения свободного канала связи для сокращения между ними количества коллизий. Все версии семейства Ethernet ориентированы на поддержку работы до 1024 узлов сети. [Источник 3]

Протокол Ethernet относится к физическому и канальному уровням эталонной модели взаимодействия открытых систем OSI (Open Systems Interconnection). Он описывает порядок доступа в сеть, правила разграничения общей полосы передачи, требования к линии связи и другие важные характеристики. Протокол Ethernet предполагает, что все участники информационного обмена используют общую среду передачи. Это может быть коаксиальный кабель, витая пара, оптическое волокно или даже радиосоединение. Для разграничения общей среды применяется метод множественного доступа с контролем несущей и обнаружением коллизий (CSMA/CD — Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection). Суть его будет рассмотрена ниже.

Принцип работы

Этот тип сети имеет звездообразную или линейную структуру со скоростью 10-100 мегабит/секунду. Первоначально Ethernet был основан на коаксиальном кабеле, однако со временем технология изменилась, и сеть начали строить на базе оптоволоконных кабелей или витых пар. Сейчас существует около тридцати видов сети Ethernet, которые отличаются по скорости, топографии, величине и типу кабеля. Далеко не все разновидности нашли коммерческое применение.

Читайте также:  Mysql 1146 table doesn t exist

Принцип работы протокола Ethernet заключается в следующем: перед отправкой информации в сеть она нарезается на сегменты размером от 72 до 1526 байт. После этого к сегменту добавляется заголовок, содержащий адреса отправителя и получателя информации. Также добавляется "концевик", содержащий контрольную сумму, необходимую для контроля возникновения ошибок. До того как отправить получившийся пакет в сеть передатчик проверяет: не занята ли в данный момент общая среда. Если источник информации обнаружит, что среда занята, то он отложит передачу на некоторое (обычно случайное) время, после чего повторит попытку. Интервал времени, через который будет осуществляться повторный контроль среды передачи, увеличивается от попытки к попытке. Как только передатчик обнаружит, что среда свободна пакет будет передан в сеть. Все устройства, включенные в сеть, непрерывно анализируют заголовки пакетов передаваемых по сети. Если одно из устройств обнаружит, что адрес получателя соответствует его адресу, то он принимает этот пакет, все остальные устройства будут его игнорировать. [Источник 4]

Пропускная способность сети Ethernet

Пропускная способность оценивается через количество кадров либо количество байт данных, передаваемых по сети за единицу времени. Если в сети не происходят коллизии, максимальная скорость передачи кадров минимального размера(64 байта) составляет 14881 кадров в секунду. При этом полезная пропускная способность для кадров Ethernet II – 5.48 Мбит/с.

Максимальная скорость передачи кадров максимального размера (1500 байт) составляет 813 кадров в секунду. Полезная пропускная способность при этом составит 9.76 Мбит/с.

Стандарты

Первый вариант – экспериментальная реализация в Xerox. Xerox Ethernet – технология, основанная на коаксиальном кабеле с максимальной скоростью 3 мегабита в секунду. Модификация StarLan, в которой впервые была применена витая пара. Скорость такого соединения невелика – всего 1 мегабит в секунду.

Ethernet II (Ethernet DIX) – фирменный стандарт Ethernet компани Xerox, Intel, DEC. 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. [Источник 5]

IEEE 802.3 – юридический стандарт Ethernet

Ethernet II и IEEE 802.3 незначительно отличаются. Первый из них исторически раньше появился и при появлении второго много оборудования было на Ethernet II. Сейчас поддерживаются оба. Различие в том, что в Ethernet II передавался тип протокола, а по IEEE 802.3 вместо него передавалась длина поля данных.

Физические спецификации технологии Ethernet включают следующие среды передачи данных:

  • 10Base-5 — коаксиальный кабель диаметром 0,5 дюйма (1дм=2,54см), называемый «толстым» коаксиальным кабелем, с волновым сопротивлением 50Ом.
  • 10Base-2 — коаксиальный кабель диаметром 0,25 дюйма, называемый «тонким» коаксиальным кабелем, с волновым сопротивлением 50Ом.
  • 10Base-T — кабель на основе неэкранированной витой пары (Unshielded Twisted Pair, UTP), категории 3,4,5.
  • 10Base-F — волоконно-оптический кабель.

Число 10 обозначает номинальную битовую скорость передачи данных стандарта, то есть 10Мбит/с а слово «Base» — метод передачи на одной базовой частоте. Последний символ обозначает тип кабеля.

Рисунок 2 — l0Base-5

10Base-5 Кабель [рис.2] используется как моноканал для всех станций, максимальная длина сегмента 500м. Станция подключаться к кабелю через приемопередатчик — трансивер. Трансивер соединяется с сетевым адаптером разъема DB-15 интерфейсным кабелем AUI. Требуется наличие терминаторов на каждом конце, для поглощения распространяющихся по кабелю сигналов.

Правила «5-4-3» для коаксиальных сетей:

Стандарт сетей на коаксиальном кабеле разрешает использование в сети не более 4 повторителей и, соответственно, не более 5 сегментов кабеля. При максимальной длине сегмента кабеля в 500 м это дает максимальную длину сети в 500*5=2500 м. Только 3 сегмента из 5 могут быть нагруженными, то есть такими, к которым подключаются конечные узлы. Между нагруженными сегментами должны быть ненагруженные сегменты.

Рисунок 3 — l0Base-2

10Base-2 Кабель [рис.3] используется как моноканал для всех станций, максимальная длина сегмента 185 м. Для подключения кабеля к сетевой карте нужен T-коннектор, а на кабеле должен быть BNC-коннектор. Также используется правило 5-4-3.

10Base-T кабель [рис.4] бразует звездообразную топологию на основе концентратора, концентратор осуществляет функцию повторителя и образует единый моноканал, максимальная длина сегмента 100м. Конечные узлы соединяются с помощью двух витых пар. Одна пара для передачи данных от узла к концентратору — Tx, а другая для передачи данных от концентратора к узлу – Rx.

Рисунок 4 — l0Base-T

Правила «4-х хабов» для сетей на основе витой пары: В стандарте сетей на витой паре определено максимально число концентраторов между любыми двумя станциями сети, а именно 4. Это правило носит название «правила 4-х хабов». Очевидно, что если между любыми двумя узлами сети не должно быть больше 4-х повторителей, то максимальный диаметр сети на основе витой пары составляет 5*100 = 500 м (максимальная длина сегмента 100м).

В модификации 100BASE-T на базе витой пары скорость увеличилась до ста мегабит/секунду. Этот тип получил дальнейшее развитие. 100BASE-FX передает данные по оптоволоконному кабелю на расстояние 10 километров со скоростью сто мегабит/секунду. В 1000BASE-T используются четыре вытые пары, а расстояние равняется ста метрам. В модификации 1000BASE-LH расстояние увеличилась до 100 километров. Скорость два последних вида имеют самую высокую, она достигает 1000 мегабит в секунду.

l0Base-F Функционально сеть Ethernet на оптическом кабеле состоит из тех же элементов, что и сеть стандарта 10Base-T. Стандарт FOIRL (Fiber Optic Inter-Repeater Link) первый стандарт комитета 802.3 для использования оптоволокна в сетях Ethernet. Мах длина сегмента 1000м, мах число хабов 4, при общей длине сети не более 2500 м. [Источник 6]

Стандарт 10Base-FL незначительное улучшение стандарта FOIRL. Мах длина сегмента 2000 м. Максимальное число хабов 4,а максимальная длина сети — 2500 м.

Стандарт 10Base-FB предназначен только для соединения повторителей. Конечные узлы не могут использовать этот стандарт для присоединения к портам концентратора. Мах число хабов 5, мах длина одного сегмента 2000 м и максимальной длине сети 2740 м.

Рисунок 5 — Место Ethernet в модели OSI

Типы Ethernet

Название Скорость Кабель Стандарт
Ethernet 10Mb/s Толстый, тонкий коаксиал,
Витая пара, оптика
802.3
Fast Ethernet 100Mb/s Витая пара, оптика 802.3u
Gigabit Ethernet 1Gb/s Витая пара, оптика 802.3z,
802.3ab
10G Ethernet 10Gb/s Витая пара, оптика 802.3ae,
802.3an

Есть 2 технологии Ethernet:

1. Классический Ethernet

  • Разделяемая среда
  • Ethernet — Gigabit Ethernet

2. Коммутируемый Ethernet

  • Точка-точка
  • Появился в Fast Ethernet
  • Единственный вариант в 10G Ethernet [Источник 7]

Существуют две конкурирующие технологии для передачи данных по сети Ethernet со скоростью 100 Мбит/с — это стандарты 100Base-T и 100VG-AnyLAN. Архитектура Ethernet позволяет производить объединение нескольких кабельных ЛВС в распределенную вычислительную сеть. Версия Ethernet фирмы Apple носит наименование EtherTalk (не путать с AppleTalk).

Пример передачи сообщений в сети Ethernet

Данные в эфир передаются не однородным потоком, а блоками. Блоки эти на канальном уровне принято называть кадрами (frame [рис.6]). 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.

Рисунок 6 — Пример передачи данных

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. [Источник 8]

В процессе работы сети Ethernet может возникнуть ситуация, когда сразу несколько передатчиков начнут передавать информацию одновременно. Для предотвращения данной ситуации и применяется метод обнаружения коллизий. Если одна из рабочих станций в процессе передачи обнаружит коллизию, т.е. одновременную передачу пакетов сразу от нескольких источников, то в первую очередь источник информации приостанавливает передачу. Далее он посылает в сеть специальный сигнал – "jam signal", который увеличивает вероятность обнаружения коллизии другими станциями, чтобы они также остановили процесс обмена информацией. Далее передатчик информации выжидает некоторое случайное время, после которого он снова пытается получить доступ в сеть. Если среда передачи будет занята, то интервал ожидания будет увеличен и так далее, до тех пор, пока среда не окажется свободный и информация не будет передана.

Читайте также:  В чем ходят на похороны одежда

Как уже было сказано ранее, существует целое семейство протоколов, объединенных под общим название Ethernet: Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, 10G Ethernet и т.д. Разработкой данного стандарта в настоящее время занимается IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) и версии выходят под обозначением "802.3х". Одним из последних стандартов является 100 Gigabit Ethernet, который предусматривает скорость передачи до 100 Гбит/сек по оптическому волокну. В сотовой связи стандарт Ethernet получил достаточно широкое распространение. Уже давно он используется для подключения различных элементов сети, установленных на одной площадке, либо в непосредственной близости друг к другу (до 100 метров), например MSС и HLR, BSC и транскодер.

С распространением оптоволоконных линий связи и появлением систем сотовой связи 3G, в частности UMTS, Ethernet начал применятся практически на всех интерфейсах в стыке с IP-протоколом: NodeB-RNC, RNC-MGW, RNC-SGSN и т.д. Широкое распространение данной технологии обусловлено в первую очередь высокой надежностью, быстротой развертывания и настройки, большого выбора маршрутизаторов и каналообразующего оборудования, а также достаточно высоких возможных скоростей передачи данных. Благодаря появлению стандартов 10G и 100G Ethernet данная технология получает широкие перспективы для применения в системах сотовой связи 4G, таких как LTE. [Источник 9]

Ethernet — это самый распространенный на сегодняшний день стандарт локальных сетей. Когда говорят Ethernet, то под этим обычно понимают любой из вариантов этой технологии. В более узком смысле Ethernet — это сетевой стандарт, основанный на экспериментальной сети Ethernet Network, которую фирма Xerox разработала и реализовала в 1975 году. В 1980 году фирмы DEC, Intel и Xerox совместно разработали и опубликовали стандарт Ethernet версии II для сети, построенной на основе коаксиального кабеля, который стал последней версией фирменного стандарта Ethernet. Поэтому фирменную версию стандарта Ethernet называют стандартом Ethernet DIX или Ethernet II. На основе стандарта Ethernet DIX был разработан стандарт IEEE 802.3, который во многом совпадает со своим предшественником. Все выше перечисленные стандарты предназначались для сетей, функционирующих со скоростью 10 Мбит/с

В 1995 году был принят стандарт Fast Ethernet для сетей, функционирующих со скоростью 100 Мбит/с, который во многом не является самостоятельным стандартом, о чем говорит и тот факт, что его описание просто является дополнительным разделом к основному стандарту 802.3 — разделом 802.3u. Аналогично, принятый в 1998 году стандарт Gigabit Ethernet для сетей, функционирующих со скоростью 1000 Мбит/с, описан в разделе 802.3z основного документа. Спецификации Ethernet определяют протокол как совокупность из трех необходимых компонентов:

· набора правил физического уровня, задающих типы кабеля и ограничения кабельной системы для сетей Ethernet;

· формата кадра, задающего порядок и назначение битов, передаваемых в пакете Ethernet;

· механизма управления доступом к среде, называемого множественным доступом с контролем несущей и обнаружением коллизий.

Наиболее характерная особенность сети Ethernet — это механизм управления доступом к среде, который называется множественным доступом с контролем несущей и обнаружением коллизий (CSMA/CD, Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection). Подобно любому методу MAC, CSMA/CD позволяет компьютерам в сети совместно разделять единую узкополосную среду передачи без потери данных. Протокол разработан таким образом, что каждый узел имеет равные права на доступ к сетевой среде передачи. Когда узел в сети Ethernet хочет передать данные, сначала он проверяет сетевую среду, пытаясь определить, используется ли она. Это — фаза контроля несущей. Если узел выявляет в сети трафик, он выдерживает короткую паузу и снова прослушивает сеть. Если сеть свободна, то любой узел сети может осуществить через нее передачу своих данных. Это — фаза множественного доступа. Описанный механизм сам управляет доступом к среде передачи, но не без ошибок. Вполне возможно для двух (или более) систем установить, что сеть свободна, и начать передавать свои данные примерно в один и тот же момент. Это приводит к спорной ситуации, которая в спецификациях IEEE называется ошибкой качества сигнала (SQE, signal quality error) или, что более широко употребимо, коллизией (collision). Коллизии возникают, когда одна система передает данные, а другая система выполняет контроль несущей в течение короткого промежутка времени до того момента, как первый бит переданного пакета достигнет ее. Этот интервал известен как время состязания (contention time) или временной зазор (slot time), так как каждая вовлеченная в процесс система полагает, что она начала передавать данные первой. Таким образом, каждый узел в сети всегда находится в одном из трех возможных состояний: передаче, состязании или ожидании.

Когда сталкиваются пакеты от двух различных узлов, в кабеле возникает состояние, отличное от нормы, которое распространяется навстречу обеим системам. Когда каждая передающая система выявляет ненормальную ситуацию, она осознает, что имеет место коллизия, немедленно прекращает посылать данные и предпринимает действия, чтобы исправить эту ситуацию. Это — стадия обнаружения коллизии. Из-за того, что столкнувшиеся пакеты считаются поврежденными, обе задействованные системы передают в остальную сеть сигнал задержки (jam pattern), который устанавливает во всем кабеле напряжение, информирующее другие системы в сети о столкновении и предотвращающее возможную передачу ими данных. После передачи сигнала задержки оба узла, вовлеченные в конфликт, откладывают свою передачу на случайный интервал времени, который вычисляется по алгоритму с использованием их собственных МАС-адресов в качестве уникальных факторов. Этот процесс называется отсрочкой или временной выдержкой. Так как оба узла выполняют независимые вычисления временной паузы, то шанс, что они начнут повторную передачу в одно и тоже, время, существенно снижается. Однако это по-прежнему возможно, и, если между теми же двумя узлами возникнет очередная коллизия, то они оба увеличивают продолжительность интервалов задержки и снова переходят в состояние отсрочки. Большинство коллизий, которые возникают в типичной сети Ethernet, разрешаются в течение микросекунд. Следует понимать, что возникновение коллизий пакетов для сети Ethernet естественно и ожидаемо, и не обязательно является проблемой. Коллизии пакетов могут стать проблемой только в том случае, если их очень много, тогда в сети начинают накапливаться значительные задержки трафика.

Недостаток механизма CSMA/CD заключается в том, что чем больше трафик в сети, тем больше коллизий будет возникать. В обычной сети Ethernet загрузка находится приблизительно в диапазоне от 30 до 40 процентов. Когда загрузка возрастает примерно до 80 процентов, количество конфликтов увеличивается до значения, после которого производительность сети заметно снижается. В самом крайнем случае, известном как коллапс (collapse), сеть настолько забита трафиком, что почти всегда находится в состоянии состязания.

Спецификации Физического уровня для протокола Ethernet разработаны таким образом, что первые переданные 64 байта каждого пакета полностью распределяются по всей совокупной длине кабеля области коллизий. Очень важно, чтобы первый бит каждого передаваемого пакета достиг каждого узла в сети прежде, чем будет отправлен последний бит. Это требование выдвигается в связи с тем, что передающая система может выявить коллизию только тогда, когда она все еще передает данные. Если коллизия возникает после того, как последний бит покинул передающий узел, она называется поздней коллизией или иногда выходом за окно коллизий. Так как передающая система не имеет способа выявления поздних коллизий, она полагает, что пакет передан успешно. Любые данные, потерянные в результате поздней коллизии, не могут быть повторно переданы процессом Канального уровня. Эта задача переходит к протоколам, работающим на вышележащих уровнях модели OSI и использующим для обнаружения потери данных и вызова повторной передачи свои собственные механизмы. Последний процесс может отнимать время в сотни раз большее, чем повторная передача Ethernet, и это — одна из причин, по которой данной тип коллизии является проблемой. Поздние коллизии не являются обычным явлением для сети Ethernet, напротив, их появление свидетельствует о существовании серьезных проблем, которые надо немедленно устранить.

Механизм управления доступом к среде CSMA/CD является определяющим элементом протокола Ethernet, но он также накладывает и множество ограничений. Основным недостатком протокола Ethernet является то, что одновременно данные могут передаваться только в одном направления. Такой режим называется полудуплексным. Применяя специальное оборудование, также возможно организовать работу соединений Ethernet в дуплексном режиме, означающем, что устройство может передавать и получать данные одновременно. Дуплексный Ethernet возможен только для сегментов, которые имеют раздельные каналы для взаимодействия в каждом из направлений. Это относится к витой паре и оптоволоконному кабелю, поддерживаемым обычным Ethernet и Fast Ethernet, но не к коаксиальному кабелю. Из-за того, что обе системы при дуплексной связи могут передавать и получать данные одновременно, нет причин для возникновения конфликтов. В силу сказанного, нет необходимости в ограничениях кабельной системы, направленных на поддержку механизма выявления коллизий.

Исторически первые сети технологии Ethernet были созданы на коаксиальном кабеле диаметром 0,5 дюйма. В дальнейшем были определены и другие спецификации физического уровня для стандарта Ethernet, позволяющие использовать различные среды передачи данных. Физические спецификации технологии Ethernet на сегодняшний день включают следующие среды передачи данных.

· 10Base-5 — коаксиальный кабель диаметром 0,5 дюйма, называемый «толстым» коаксиалом. Имеет волновое сопротивление 50 Ом. Максимальная длина сегмента — 500 метров (без повторителей).

· 10Base-2 — коаксиальный кабель диаметром 0,25 дюйма, называемый «тонким» коаксиалом. Имеет волновое сопротивление 50 Ом. Максимальная длина сегмента — 185 метров (без повторителей).

· 10Base-T — кабель на основе неэкранированной витой пары (Unshielded Twisted Pair, UTP). Образует звездообразную топологию на основе концентратора. Расстояние между концентратором и конечным узлом — не более 100 м.

Читайте также:  Магнитола для форд фокус 2 рестайлинг

· 10Base-F — волоконно-оптический кабель. Топология аналогична топологии стандарта 10Base-T. Имеется несколько вариантов этой спецификации — FOIRL (расстояние до 1000 м), 10Base-FL (расстояние до 2000 м), 10Base-FB (расстояние до 2000 м).

Стандарт технологии Ethernet, описанный в документе IEEE 802.3, дает описание единственного формата кадра уровня MAC. Тем не менее, на практике в сетях Ethernet на канальном уровне используются кадры 4-х различных форматов (типов). Это связано с длительной историей развития технологии Ethernet, насчитывающей период существования до принятия стандартов IEEE 802.

Консорциум трех фирм Digital, Intel и Xerox в 1980 году представил на рассмотрение комитету 802.3 свою фирменную версию стандарта Ethernet в качестве проекта международного стандарта, но комитет 802.3 принял стандарт, отличающийся в некоторых деталях от предложения DIX. Отличия касались и формата кадра, что породило существование двух различных типов кадров в сетях Ethernet. Еще один формат кадра появился в результате усилий компании Novell по ускорению работы своего стека протоколов в сетях Ethernet. И, наконец, четвертый формат кадра стал результатом деятельности комитета 802.3 по приведению предыдущих форматов кадров к некоторому общему стандарту.

Различия в форматах кадров могут приводить к несовместимости в работе аппаратуры и сетевого программного обеспечения, рассчитанного на работу только с одним стандартом кадра Ethernet. Однако сегодня практически все сетевые адаптеры, драйверы сетевых адаптеров, мосты/коммутаторы и маршрутизаторы умеют работать со всеми используемыми на практике форматами кадров технологии Ethernet, причем распознавание типа кадра выполняется автоматически. Ниже приводится описание всех четырех типов кадров Ethernet . Один и тот же тип кадра может иметь разные названия, поэтому ниже для каждого типа кадра приведено по нескольку наиболее употребительных названий:

· кадр 802.3/LLC (кадр 802.3/802.2 или кадр Novell 802.2);

· кадр Raw 802.3 (или кадр Novell 802.3);

· кадр Ethernet DIX (или кадр Ethernet II);

· кадр Ethernet SNAP.

Форматы всех этих четырех типов кадров Ethernet приведены на рис. 21.

Рис. 21. Форматы кадров Ethernet

Стандарт 802.3/LLC определяет восемь полей заголовка (рис. 21, поле преамбулы и начальный ограничитель кадра на рисунке не показаны). Поле преамбулы (Preamble) состоит из семи синхронизирующих байт 10101010. Начальный ограничитель кадра (Start-of-frame-delimiter, SFD) состоит из одного байта 10101011. Появление этой комбинации бит является указанием на то, что следующий байт — это первый байт заголовка кадра.

Адрес назначения (Destination Address, DA) может быть длиной 2 или 6 байт. На практике всегда используются адреса из 6 байт. Первый бит старшего байта адреса назначения является признаком того, является адрес индивидуальным или групповым. Если он равен 0, то адрес является индивидуальным (unicast), а если 1, то это групповой адрес (multicast). Второй бит старшего байта адреса определяет способ назначения адреса — централизованный или локальный. Адрес источника (Source Address, SA) — это 2- или 6-байтовое поле, содержащее адрес узла — отправителя кадра. Первый бит адреса всегда имеет значение 0.

Подкадр протокола управления логической связью (Logical Link Control — LLC) – является одним из механизмов, позволяющих взаимодействовать локальным сетям разных топологий. Эта структуру из трех полей предшествует полю данных в кадре и используется для идентификации необходимого протокола в многопротокольных компьютерах. Это поле необходимо в связи с ограниченными возможностями протокола 802.3 в определении внешних протоколов. Подкадр LLC содержит следующие элементы:

· поле адреса порта службы получателя (Destination Service Address Port — DSAP) длиной в один октет (8 бит);

· поле адреса порта службы отправителя (Source Service Address Port — SSAP) длиной в один октет;

· служебное поле Control длиной в один октет.

Точки доступа к службам (service access points) идентифицируют протокол верхнего уровня, для которого предназначен пакет. Протоколам присвоены шестнадцатеричные значения, которые и записываются в поля DSAP и SSAP пакета. Уровень LLC выполняет адресацию и управляет каналом связи. На этом уровне принимается решение о том, какой механизм следует использовать для адресации станций в среде передачи и управления обменом данными между машинами отправителя и получателя. Длина (Length, L) — 2-байтовое поле, которое определяет длину поля данных в кадре. Поле данных (Data) может содержать от 0 до 1500 байт. Но если длина поля меньше 46 байт, то используется следующее поле — поле заполнения, чтобы дополнить кадр до минимально допустимого значения в 46 байт. Поле заполнения (Padding) состоит из такого количества байт заполнителей, которое обеспечивает минимальную длину поля данных в 46 байт. Это обеспечивает корректную работу механизма обнаружения коллизий. Поле контрольной суммы (Frame Check Sequence, FCS) состоит из 4 байт, содержащих контрольную сумму. Это значение вычисляется по алгоритму CRC-32.

Кадр Raw 802.3, называемый также кадром Novell 802.3, представлен на рис. 21. Из рисунка видно, что это кадр подуровня MAC стандарта 802.3, но без вложенного кадра подуровня LLC. Компания Novell долгое время не использовала служебные поля кадра LLC в своей операционной системе NetWare из-за отсутствия необходимости идентифицировать тип информации, вложенной в поле данных, так как там всегда находился пакет протокола IPX, долгое время бывшего единственным протоколом сетевого уровня в операционной системе (ОС) NetWare. Теперь, когда необходимость идентификации протокола верхнего уровня появилась, компания Novell стала использовать возможность инкапсуляции в кадр подуровня MAC кадра LLC, то есть использовать стандартные кадры 802.3/LLC. Такой кадр компания обозначает теперь в своих операционных системах как кадр 802.2, хотя он является комбинацией заголовков 802.3 и 802.2.

Кадр Ethernet DIX, называемый также кадром Ethernet II, имеет структуру (рис. 21), совпадающую со структурой кадра Raw 802.3. Однако 2-байтовое поле Длина кадра Raw 802.3 в кадре Ethernet DIX используется в качестве поля типа протокола. Это поле, теперь получившее название Type (Т) или EtherType, предназначено для тех же целей, что и поля DSAP и SSAP кадра LLC — для указания типа протокола верхнего уровня, вложившего свой пакет в поле данных этого кадра.

Для устранения разнобоя в кодировках типов протоколов, сообщения которых вложены в поле данных кадров Ethernet, комитетом 802.2 была проведена работа по дальнейшей стандартизации кадров Ethernet. В результате появился кадр Ethernet SNAP (SNAP — SubNetwork Access Protocol, протокол доступа к подсетям). Кадр Ethernet SNAP (рис. 21) представляет собой расширение кадра 802.3/LLC за счет введения дополнительного заголовка протокола SNAP, состоящего из двух полей: OUI и Type. Поле Type состоит из 2-х байт и повторяет по формату и назначению поле Type кадра Ethernet II (то есть в нем используются те же значения кодов протоколов). Поле OUI (Organizationally Unique Identifier) определяет идентификатор организации, которая контролирует коды протоколов в поле Type. С помощью заголовка SNAP достигнута совместимость с кодами протоколов в кадрах Ethernet II, а также создана универсальная схема кодирования протоколов.

Спецификация IEEE 802.3u, утвержденная в 1995 году, определяет протокол Канального уровня для сетей, функционирующих со скоростью 100 Мбит/с, что в десять раз выше скорости обычного, классического Ethernet. Обычно его называют Fast Ethernet или 100BaseT. Fast Ethernet быстро стал промышленным стандартом для монтажа новых ЛВС в основном за счет того, что он значительно улучшает производительность сети, а изменения относительно исходного Ethernet при этом минимальны. Ethernet оставляет неизменными два из трех определяющих элементов сети Ethernet. Новый протокол использует такой же формат кадра, как IEEE 802.3 и тот же механизм управления доступом к среде CSMA/CD. Усовершенствования, которые позволяют увеличить пропускную способность, заключаются в нескольких элементах конфигурации средств Физического уровня, включая типы применяемого кабеля, длину сегментов и допустимое количество концентраторов.

Официальный стандарт 802.3u установил три различных спецификации для физического уровня Fast Ethernet и дал им следующие названия:

· 100Base-FX для многомодового оптоволоконного кабеля, используются два волокна;

· 100Base-TX для двухпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP категории 5 или экранированной витой паре STP Type 1;

· 100Base-T4 для четырехпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP категории 3, 4 или 5.

Коаксиальный кабель, давший миру первую сеть Ethernet, в число разрешенных сред передачи данных новой технологии Fast Ethernet не попал. Это общая тенденция многих новых технологий, поскольку на небольших расстояниях витая пара категории 5 позволяет передавать данные с той же скоростью, что и коаксиальный кабель, но сеть получается более дешевой и удобной в эксплуатации. На больших расстояниях оптическое волокно обладает гораздо более широкой полосой пропускания, чем коаксиал, а стоимость сети получается ненамного выше, особенно если учесть высокие затраты на поиск и устранение неисправностей в крупной кабельной коаксиальной системе. Отказ от коаксиального кабеля привел к тому, что сети Fast Ethernet всегда имеют иерархическую древовидную структуру, построенную на концентраторах, как и сети 10Base-T/10Base-F. Основным отличием конфигураций сетей Fast Ethernet является сокращение диаметра сети примерно до 200 м, что объясняется уменьшением времени передачи кадра минимальной длины в 10 раз за счет увеличения скорости передачи в 10 раз по сравнению с 10-мегабитным Ethernet.

Тем не менее, это обстоятельство не очень препятствует построению крупных сетей на технологии Fast Ethernet. Дело в том, что середина 90-х годов отмечена не только широким распространением недорогих высокоскоростных технологий, но и бурным развитием локальных сетей на основе коммутаторов. При использовании коммутаторов протокол Fast Ethernet может работать в полнодуплексном режиме, в котором нет ограничений на общую длину сети, а остаются только ограничения на длину физических сегментов, соединяющих соседние устройства (100 метров между сетевым адаптером и коммутатором и 5 метров между коммутаторами). Поэтому при создании магистралей локальных сетей большой протяженности технология Fast Ethernet также активно применяется, но только в полнодуплексном варианте, совместно с коммутаторами.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Ссылка на основную публикацию
Ключ для word windows 10
Рано или поздно любой пользователь может столкнуться с проблемой поиска ключа Office. Конечно, если лицензия на него приобретена, то таких...
Калибровка монитора macbook pro
Сервисный центр MacPlus (ремонт Apple) раскрывает секреты калибровки дисплея iMac и Macbook Вы замечали, что одни и те же изображения...
Калькулятор градусов и минут сложение и вычитание
Калькулятор, поддерживающий основные арифметические действия над выражениями с градусами. Создан по запросу пользователя. Этот калькулятор выполняет арифметические действия над градусами....
Ключ для эксель 365 лицензионный ключ бесплатно
Еще несколько лет назад компаня Майкрософт планировала свой пакет продавать вместе уже с компьютерами, как сейчас происходит с операционной системой...
Adblock detector