Сети Ethernet. Стандарты: 10Base5, 10Base2, 10BaseT, 10BaseF.

Немного о сетевых протоколах физического и канального уровней модели OSI. Мир сетей обязан своим успехом развитию стандартов и в частности тех, которые разработаны международным институтом по электричеству и электроники – IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers). Указанный институт определил стандарты локальных сетей для физического и канального уровней модели OSI. Это связано с тем, что именно эти уровни в наибольшей степени отражают специфику локальных сетей. Старшие уровни модели, начиная с сетевого уровня, во многом имеют общие черты, как для локальных, так и для глобальных сетей. Специфика локальных сетей также нашла свое отражение в разделении канального уровня на два подуровня:

1. Подуровень логической передачи данных (Logical Link Control, LLC).

2. Подуровень управления доступом к среде (Media Access Control, MAC).

Подуровень MAC появился из-за существования в локальных сетях разделяемой среды передачи данных. Именно этот подуровень обеспечивает корректное совместное использование общей среды, предоставляя ее в соответствии с определенным алгоритмом (определяет специфику сетевой технологии) в распоряжении тому или иному узлу сети. После того как доступ к среде получен, ею может пользоваться подуровень LLC, организующий передачу логических единиц данных (кадров информации). В современных локальных сетях получили распространения несколько протоколов уровня MAC, которые реализуют различные алгоритмы доступа к разделяемой среде. Эти протоколы определяют специфику таких технологий как Ethernet (Fast Ethernet, Gigabyte Ethernet), Token Ring, FDDI. Уровень LLC отвечает за достоверную передачу кадров данных между узлами, а также реализует функции интерфейса с прилегающим к нему сетевым уровнем модели OSI. Через уровень LLC сетевой протокол запрашивает у канального уровня нужную ему транспортную операцию с требуемым качеством. На уровне LLC существует несколько режимов работы, отличающих наличием или отсутствием процедур восстановления кадров в случае их потери или искажения, т.е. эти режимы как раз и отличаются качеством транспортных услуг. Протоколы MAC и LLC взаимно независимы – любой протокол подуровня MAC может использоваться с любым протоколом LLC и наоборот.

А теперь перейдем к сути вопроса. Для начала рассмотрим стандарт IEEE 802.3 и строение сетей Ethernet. Указанный стандарт реализован в таком большом числе вариантов, что для их различия была введена система обозначений. Название спецификаций стандарта состоит из трех частей:

1. На первом месте стоит число, означающее пропускную способность сети (Мбит/с).

2. На втором месте пишут либо ключевое слово BASE (передача на базовой частоте), либо слово BREAD (передача в широкополосном режиме).

3. Третья часть представляет собой либо цифру (топология общая шина, реализуемая на тонком или толстом коаксиальных кабелях), либо букву латинского алфавита, обозначающую тип используемого сетевого кабеля.

Рассмотрим некоторые спецификации сети Ethernet (ниже стандарты будут рассмотрены подробнее).

· Стандарт 10Base5. Тип кабеля – толстый коаксиальный, топология – общая шина. Для толстого коаксиального кабеля максимальная длина сетевого кабеля в сегменте равна 500 метрам. Число 500 делится на 100, и получается цифра 5.

· Стандарт 10Base2. Тип кабеля – тонкий коаксиальный, топология – общая шина. Для сегмента сети максимальная длина 185 метров, делим на 100, и получается 1.85, округляем до целых и получаем цифру 2.

· Стандарт 10BaseT. Тип кабеля – неэкранированная витая пара, топология – звезда.

· Стандарт 10BaseF. Тип кабеля – оптоволоконный кабель, топология – звезда.

Проектировщики сетей Ethernet 802.3 знали, что много узлов будут получать доступ в сеть в одно и то же время, но не дали никакого механизма для сообщения узлом сети, когда сеть будет свободна. Метод доступа к среде передачи данных CSMA/CD, используемый в сетях Ethernet, является противоположностью маркерному кольцу, которое сообщает узлам сети, когда они могут передавать данные. Метод доступа CSMA/CD можно разложить на три составляющие: контроль несущей (Carrier Sense), множественный доступ (Multiple Access) и обнаружение коллизий (Collision Detection).

Контроль несущей – это когда узлы сети Ethernet, которые хотят передать кадр данных, «прислушиваются» к тому, что происходит в сети, наблюдая за несущими сигналами. Сигнал представляет собой электрические импульсы, которые строят ряд из нулей и единиц, образующих кадр данных. Если готовый к передаче узел «слышит» другую передачу, он отключается на некоторое случайное число миллисекунд (в этом заключается случайность метода доступа CSMA/CD в сетях Ethernet), а затем слушает вновь.

Множественный доступ – это когда если сигналов на сетевом кабеле не слышно, узел начинает передавать свои данные, однако может случиться, что два или более узлов начнут передавать одновременно или один из узлов начнет передачу прежде, чем до него дойдет сигнал ранее начатой передачи из другого узла. Метод доступа CSMA/CD разрешает многим узлам одновременный доступ к сетевому кабелю.

Обнаружения коллизий – это обнаружение тех случаев, когда два или более электрических сигналов интерферируют и превращаются в бессмыслицу. Когда слушающий узел обнаруживает такую ситуацию, он передает серию сигналов в формате, называемом сигналом коллизий, чтобы все узлы сети узнали о столкновении. В этом случае включается процедура обнаружения коллизий, и все претенденты на передачу откладывают ее и ждут некоторое случайное количество миллисекунд перед повторной попыткой передачи. Конфликты в сетях Ethernet не снижают ее пропускной способности до определенных границ. В настоящее время в сетях эксплуатируются приложения, работающие в реальном времени с мультимедийной информацией, которая очень загружает Ethernet, при этом коллизии возникают настолько часто, что полезная пропускная способность сети Ethernet резко падает, поскольку сеть почти постоянно занята повторными попытками передачи данных. Для уменьшения интенсивности возникновения коллизий можно было бы уменьшить трафик (что почти нереально), сократить число узлов в сегменте сети, либо повысить скорость протокола, перейдя с технологии Ethernet на технологию Fast Ethernet или Gigabit Ethernet.

Следует отметить, что метод доступа CSMA/CD вообще не гарантирует узлу, что он сможет получить доступ к среде передачи данных. Этот недостаток метода случайного доступа является платой за его чрезвычайную простоту, которая сделала технологию Ethernet (Fast Ethernet, Gigabyte Ethernet) самой недорогой. Другие методы доступа к среде передачи данных, например, маркерный метод свободнен от этого недостатка.

Метод доступа CSMA/CD применяется исключительно в сетях с логической общей шиной (логическая топология). Сюда относится естественным образом физическая топология общая шина и звезда. Последнее обстоятельство объясняется тем, что многопортовые повторители (концентраторы) в топологии звезда осуществляют функции повторения сигнала на всех отрезках витых пар, подключенных к его портам. Это приводит к тому, что образуется единая среда передачи данных – логическая общая шина.

Стандарты: 10Base5, 10Base2, 10BaseT, 10BaseF и другие.

Стандарт 10 Base 5. Указанный стандарт может считаться классическим Ethernet. Он использует в качестве среды передачи данных толстый коаксиальный кабель с волновым сопротивлением в 50 Ом, диаметром центрального медного провода 2.17 мм и внешним диаметром около 10 мм – 0.5 дюйма (часто говорят «толстый» Ethernet). Указанным характеристикам соответствуют кабели RG-8 и RG-11. Указанный кабель часто имеет ярко желтый цвет, является жестким (не гнется), используется как моноканал (топология «общая шина») для всех узлов сети. Сегмент кабеля имеет максимальную длину 500 м (без повторителей) и должен иметь на концах терминаторы с сопротивлением в 50 Ом.

Терминатор

 

Терминаторы поглощают распространяющие по кабелю сигналы и препятствуют возникновению отраженных сигналов. В противном случае на кабеле возникают стоячие волны, при которых одни узлы получают мощные сигналы, а другие настолько слабые, что их прием становится невозможным. Один из терминаторов сегмента сети должен быть обязательно заземлен. Узел сегмента сети подключается к толстому коаксиальному кабелю при помощи приемопередатчика – трансивера.

Трансивер

Трансивер устанавливается непосредственно на кабеле и питается от сетевого адаптера компьютера. Трансивер может подсоединяться к кабелю как методом прокалывания, обеспечивая при этом непосредственный физический контакт, так и бесконтактным методом. Трансивер соединяется с сетевой картой интерфейсным мягким кабелем AUI (Attachment Unit Interface – интерфейс подключаемых устройств) длиной до 50 метров, состоящим из четырех витых пар. Каждая сетевая карта имеет 15-контактный разъем AUI, в который вставляется 15-контактная вилка AUI. Трансивер – это часть сетевой карты, которая выполняет следующие функции:

1. Прием и передача данных с кабеля на кабель.

2. Определение коллизий на кабеле.

К одному сегменту сети допускается подключение не более 100 трансиверов, причем расстояние между подключениями трансиверов не должно быть  не более двух метров. Стандарт 10Base5 разрешает использование не более 4 повторителей, что соответствует использованию не более 5 сегментов сети, это позволяет рассчитать максимальную длину сети: 500*5 = 2500 метров, при этом только 3 сегмента могут быть нагруженными – к нему подключаться узлы сети. Максимальная конфигурация сети представляет собой два нагруженных крайних сегмента, которые соединяются ненагруженными сегментами еще с одним центральным нагруженным сегментом. Таким образом, в стандарте 10Base5 используется следующее правило применения повторителей: 5-4-3 (5 сегментов сети, 4 повторителя, 3 нагруженных сегмента). Каждый повторитель подключается к сегменту одним своим трансивером, поэтому к нагруженным сегментам можно подключить не более 99 компьютеров (узлов сети), при этом максимально число узлов сети 99*3=297.

Недостатком стандарта 10Base5 является высокая стоимость сетевого кабеля, сложность его прокладки (из-за большой жесткости), остановка работы всей сети при повреждении сетевого кабеля или плохом соединении, необходимость заранее предусматривать подводку сетевого кабеля ко всевозможным местам установки компьютеров.

Стандарт 10 Base 2. Указанный стандарт использует в качестве передающей среды коаксиальный кабель с диаметром центрального медного провода 0.89 мм, внешним диаметром 5 мм – 0.25 дюйма (часто говорят «тонкий» Ethernet). Кабель также имеет волновое сопротивление в 50 Ом. Указанными характеристиками обладают кабели RG-58A|U – многожильный, RG-58U – сплошной внутренний проводник, RG-58С|U – проходит военную приемку. Тонкий коаксиальный кабель дешевле толстого, но обладает худшей помехозащищенностью, худшей механической прочностью. Затухание полезного сигнала в этом кабеле выше, чем в толстом коаксиальном кабеле, что приводит к необходимости уменьшать длину кабеля в сегменте сети для получения одинаковых характеристик затухания. Для соединения тонкого коаксиала с сетевым оборудованием используется также коннекторы и терминаторы.

Максимальная длина сегмента без повторителей 185 метров. Для стандарта 10Base2 также действует правило применения повторителя 5-4-3. Это дает возможность рассчитать максимальную длину сети: 5*185=925 метров, максимальное количество узлов в одном сегменте равно 30, считая повторителя за рабочую станцию. Таким образом, общее количество узлов в сети не должно превышать 29*3=87. При этом минимальное расстояние по длине сетевого кабеля между узлами – 1 м. Стандарт 10Base2 очень близок к стандарту 10Base5, но трансиверы в нем объединены с сетевой картой за счет того, что гибкий тонкий коаксиальный кабель может быть непосредственно подведен к выходному порту сетевой карты. Кабель в данном случае «висит» на сетевой карте, что затрудняет физическое перемещение компьютеров в случае необходимости. Общим недостатком стандартов 10Base5 и 10Base2 является отсутствие оперативной информации о состоянии моноканала. Повреждения кабеля обнаруживается сразу – сеть перестает работать. Поиск отказавшего отрезка кабеля требует определенного время.

Стандарт 10 BaseT. Сети 10BaseT использует в качестве среды передачи данных две неэкранированные витые пары. Многопарный кабель на основе неэкранированной витой пары является медным и, в зависимости от электрических и механических характеристик, делиться на 7 категорий. На самом кабеле обычно пишется, к какой категории он принадлежит. С точки зрения современных сетей интерес представляют кабели 3-7 категории. Указанные кабели выпускаются в четырехпарном формате. Каждая из четырех пар имеет определенный цвет (проводники) и шаг скрутки (шаг скрутки – это количество витков на определенном расстоянии). Для сетей стандарта 10BaseT используются кабели UTP Cat 3 и UTP Cat 4 (кабель UTP Cat 4 представляет собой улучшенный вариант UTP Cat 3, обеспечивая повышенную помехозащищенность и низкий уровень потери сигнала).

Замечание. Кабели типа UTP Cat 5 были разработаны для поддержки высокоскоростных протоколов технологии Fast Ethernet – 100 Мбит/с, стандарт 100Base-TX. На этом кабеле работает также технология 100VG-AnyLan. В этой технологии используется два Ethernet или Token Ring. В принципе на кабеле UTP Cat 5 можно построить сеть технологии Gigabit Ethernet и для реализации скорости 1000 Мбит/с использовать все четыре пары кабеля. Однако чаще используется кабели UTP Cat 6, обладающие улучшенными электромеханическими характеристиками. Кабель UTP Cat 6 может быть как экранированным, так и неэкранированным. Кабели UTP Cat 7 обязательно экранируются, причем как каждая из четырех пар сама по себе, так и весь кабель в целом. Это приводит к тому, что стоимость кабеля UTP Cat 7 становится соизмеримой со стоимостью волоконно-оптического кабеля, но при этом характеристика кабеля на основе оптоволокна выше.

В стандарте 10BaseT метод доступа к среде передачи данных и все протоколы канального уровня остались теми же, что и в сетях Ethernet на коаксиальном кабеле. Физическая топология сети Ethernet на витой паре представляет собой иерархическую звезду, называемую часто просто звездой. Иерархическая звезда в том смысле, что для увеличения числа подключаемых к сегменту сети узлов возможно иерархическое соединения концентраторов (многопортовых повторителей) или Hub. Конечные узлы (рабочие станции, сервера) соединяются по топологии точка-точка со специальными устройствами – концентраторами, которые имеют порты для вставки в них коннекторов RJ-45, которые обжимаются с отрезками кабелей UTP Cat 3. RJ-45 иногда называют «вилками». При этом в стандарте 10BaseT из четырех витых пар реально работают только две витые пары. Первая витая пара требуется для передачи данных от сетевой карты узла сети к концентратору (обозначим это выход сетевой карты как Tx – передатчик сетевой карты). Вторая витая пара – для передачи данных от порта концентратора к сетевой карте узла (приемник сетевой карты, Rx). Приведем схему внутренних связей концентратора (многопортового повторителя). Концентратор принимает сигналы от одного из конечных узлов и синхронно передает их на все свои остальные порты, кроме того, на который поступил сигнал. Таким образом, при физической топологии звезда образуется единая среда передачи данных – логический моноканал (логическая общая шина). Концентратор обнаруживает коллизию в сегменте в случае одновременной передачи сигналов по нескольким своим приемникам (Rx-входам) и в этом случае концентратор посылает специальные jump-последовательности сигналов на все свои передатчики (Tx-выходы). Стандарт 10BaseT определяет скорость передачи сигналов в 10 Мбит/с и максимальное расстояние по длине сетевого кабеля при их иерархическом соединении не больше 100 метров при наличии витой пары UTP Cat 3 и UTP Cat 4.

Для обеспечения синхронизации подключенных узлов при реализации процедур доступа к среде передачи данных CSMA/CD и надежного распознавания узлами коллизий в стандарте 10BaseT максимальное число концентраторов между любыми двумя взаимодействующими узлами сети не должно превосходить четырех штук. Это правило носит название правило 4 хабов, и оно заменяет правило 5-4-3 для коаксиальных сетей Ethernet. При максимальном использовании 4 концентраторов между двумя взаимодействующими узлами не может быть более 5 кабельных отрезков, это позволяет для стандарта 10BaseT рассчитать величину 100*5=500 метров. Эта величина носит название «максимальный диаметр сети». Общее количество узлов в сети не должно превышать 1024.

Стандарт 10 BaseF. А так же его разновидности. Часто говорят «Оптоволоконный Ethernet». В качестве среды передачи Ethernet использует оптическое волокно со скоростью 10 Мбит/c. Волоконно-оптический кабель состоит из центрального проводника света (сердцевина) – стеклянного волокна, окруженного другим слоем стекла – оболочкой, обладающий меньшим показателем преломления, чем сердцевина. Распространяясь по сердцевине, луч света не выходит за ее пределы, отражаясь от покрывающего слоя оболочки. Все волоконно-оптические кабели делятся на два типа: одномодовое оптическое волокно и многомодовое оптическое волокно. Угол отражения луча называется модой луча.

Одномодовое волокно – волновод, пропускающий только одну моду (моду самого низкого порядка).

В многомодовом волокне размер световодной жилы в несколько раз больше, чем в одномодовом, что делает возможным распространение большого числа лучей (много мод).

В качестве источников излучения света в волоконно-оптических кабелях применяются как светодиоды (для многомодового кабеля), так и полупроводниковые лазеры (одномодовое оптоволокно). В одномодовом кабеле (Single-mode Optical Fiber, SMF) используется центральный проводник диаметром около 10 микрон. В этом кабеле все лучи света распространяются вдоль оптической оси светодиода, не отражаясь от оболочки проводника. Это обеспечивает меньшее затухания сигнала и обеспечивает большую дальность его передачи без использования повторителей. Кабель является достаточно дорогим и, как правило, используется только в сетях с пропускной способностью 1000 Мбит/с (например, в технологии Gigabit Ethernet).

Многомодовое оптоволокно имеет диаметр 50 или 60 микрон. В этих кабелях во внутреннем проводнике существует несколько световых лучей, которые отражаются от внешнего проводника под разными углами. Для многомодовых кабелей используются более дешевый светодиодный излучатель света. Этот тип кабеля в основном и используется в компьютерных сетях. Функционально сеть Ethernet на оптоволоконном кабеле состоит из тех же элементов, что и сети стандарта 10BaseT: сетевые карты, устанавливаемые в узлах сети, многопортовые повторители (концентраторы), отрезки кабеля, которые с помощью разъемов MIC соединяют сетевые карты узлов с портами концентратора. Как и в случае витой пары для соединения сетевой карты с концентратором используется два оптоволокна – одно оптоволокно соединяет передатчик (выход Tx) сетевой карты с приемником (вход Rx) порта концентратора, а другое –  приемник Rx карты с передатчиком Tx порта концентратора.

Стандарт FOIRL (Fiber Optic Inter-Reporter Link) является первым стандартом 802.3 для использования оптоволокна в сетях Ethernet. Стандарт гарантирует длину оптоволоконной связи между портом концентратора и портом узла, а также между портами концентратора при их иерархическом соединении до 1000 метров при максимальном диаметре сети 2500 метров. Максимальное число концентраторов между любыми двумя взаимодействующими узлами не может превышать 4. Из названных ограничений на длины сетевого кабеля видно, что максимальные отрезки кабеля между всеми 4 концентраторами, а также между портами концентраторов недопустимы, поскольку это приведет к значению диаметра сети 5000 метров, что противоречит максимальному диаметру сети для стандарта 2500 метров.

Стандарт 10Base-RL является незначительным улучшением стандарта FOIRL. Для этого стандарта увеличена мощность передатчиков, вследствие чего максимальное расстояние между сетевой картой узла и портом концентратора увеличено до 2000 метров.

Стандарт 10Base-FB предназначен только для иерархического соединения концентраторов. Конечные узлы не могут использовать этот стандарт для присоединения к портам концентратора. Для этого стандарта между взаимодействующими парами узлов сети можно использовать до 5 концентраторов, при максимальной длине одного отрезка кабеля 2000 метров и максимальном диаметре сети 2740 метров.

Как и в стандарте 10BaseT оптоволоконные стандарты Ethernet разрешают соединить концентраторы только в древовидную структуру. Любые петли между портами концентраторов недопустимы.

Домен коллизий.

В технологии Ethernet независимо от стандарта физического уровня существует понятие – домен коллизий (collision domain). Домен коллизий – это часть сети Ethernet, все узлы которой распознают коллизию независимо от того, в какой части этой сети коллизия возникла. В терминологии локальных сетей существует два типа объединения узлов – подсеть и сеть. В подсети узлы напрямую взаимодействуют друг с другом, а в сети взаимодействие осуществляется на основании MAC-адресов узла отправителя и узла получателя, которые находятся в заголовках передаваемых кадров (frame). Сеть Ethernet, построенная на концентраторах (многопортовых повторителях) всегда образует один домен коллизий, который всегда соответствует одной разделяемой среде передачи данных, поэтому правильнее говорить, что домен коллизий соответствует подсети Ethernet. Мосты, коммутаторы и маршрутизаторы делят сеть Ethernet. Объединение узлов с помощью мостов и коммутаторов (многопортовых мостов) позволяет построить сеть, а использование маршрутизаторов, которые объединяют как сети, так и подсети, позволяет построить составную сеть (internetwork) на несколько доменов коллизий. Все то, что подключается к порту моста или коммутатора, представляет собой подсеть (сегмент сети), которая соответствует одному домену коллизий. Пусть, например, в подсети вместо концентратора №3 используется мост. Это приведет к образованию сети, поскольку взаимодействие узлов, присоединенных к разным портам моста, осуществляется уже не напрямую, а через таблицу коммутации моста. В этой таблице любая строка содержит MAC-адрес узла назначения и номер порта моста, через который, в случае необходимости, передается кадр для достижения им узла назначения.

Тогда, например, порт «С» моста, связанный с концентратором №4, воспримет сигнал коллизий, но не передаст его на свои остальные порты, поскольку это не входит в его обязанности. Если коллизия возникла из-за того, что мост пытался передать кадр через порт «С» в концентратор №4, то зафиксировав сигнал коллизии, порт «С» приостановит передачу кадра и попытается передать его повторно через случайный интервал времени. Если порт «С» принимал в момент возникновения коллизии кадр, то он просто отбросит полученное начало кадра и будет ожидать, когда узел, передававший кадр через концентратор №4, не сделает повторную попытку передачи. После успешного принятия данного кадра в свой буфер, мост передаст его на другой порт в соответствии с сопровождаемой им таблицей приближения (таблицей коммутации). Все события, связанные с обработкой коллизии портом «С», для остальных сегментов сети (для остальных подсетей), которые подключены к другим портам моста, останутся просто неизвестными.