Ethernet. Стандарт IEEE 802.3

Стандарт IEEE 802.3 определяет топологию, тип физической среды, фор- мат кадра, метод доступа к среде и метод передачи данных.

Топология Ethernet: шина, реже звезда. Сеть может «удлиняться» с по- мощью репитеров, если при максимальном расстоянии между АС затухание в кабеле слишком велико (рис. 3.1, а). «Общая шина» вместе с репитерами может быть уложена внутрь концентратора (хаба) (рис. 3.1, в). При этом простран- ственно сеть имеет радиальную структуру, а при использовании нескольких концентраторов – древовидную.

 

Для расширения сети или уменьшения нагрузки на общую физическую среду сеть Ethernet может разделяться на отдельные сегменты (домены колли- зий) мостами и коммутаторами. Наряду с одноранговыми сетями, в которых все АС равны, могут строиться также сети с сервером, который может играть роль администратора сети, а также выполнять функции маршрутизатора, обеспечи- вающего подключение локальной сети через модем или выделенный цифровой канал к глобальной сети и удаленным локальным сетям (рис. 3.1, г).

Архитектура протоколов Ethernet 802.3 включает два подуровня: управ- ления доступом к среде передачи (Physical Media Access, MAC) и управления логической передачей данных (Logical Link Control, LLC), физический уровень (Physical Media Access, PMA) и среду передачи.

В настоящее время в качестве кабельной физической среды используются следующие типы кабелей:

• неэкранированная витая пара (Unshielded Twisted Pair, UTP). На ее ос- нове образуют звездообразную топологию с концентратором. Расстояние меж-

ду концентратором и конечным узлом не более 100 м (рис. 3.4). Спецификация 10Base-T;

• оптоволоконный кабель. Топология аналогична стандарту на витой па- ре. Спецификация 10Base-F. Имеется несколько вариантов этой спецификации

FOIRL (расстояние до 1000 м), 10Base-FL и 10Base-FB (расстояние до 2000 м). В спецификации 10Base-T число 10 обозначает битовую скорость ПД –

10 Мбит/с, Base – метод передачи на базовой частоте 10 МГц, т. е. без модуля- ции.

 

 

Витая пара

 

Рис. 3.4. Сеть 10Base-T – один домен коллизий; Tx – передатчик, Rx – приемник

Для передачи двоичной информации по кабелю для всех вариантов физи- ческого уровня технологии Ethernet используется манчестерский код, передача осуществляется кадрами (frame), скорость передачи – 10 Мбит/с. Принципы ра- боты: на логическом уровне топология «Шина», все устройства (рабочие стан- ции – РС) равноправны, данные, передаваемые одной РС, доступны всем остальным РС.

В технологии Ethernet независимо от применяемого стандарта физическо- го уровня существует понятие домена коллизий. Домен коллизий (collision

domain) – это часть сети Ethernet, все узлы которой распознают коллизию неза- висимо от того, в какой части этой сети она возникла. Сеть Ethernet, построен- ная на повторителях, всегда образует один домен коллизий. Он соответствует одной разделяемой среде. Мосты, коммутаторы и маршрутизаторы делят сеть Ethernet на несколько доменов коллизий.

Для доступа к среде передачи используется метод CSMA/CD (carrier sense multiply access with collision detection – метод коллективного доступа с опозна- ванием несущей и обнаружением коллизий (рис. 3.5).

 

 

Рис. 3.5. Метод случайного доступа CSMA/CD

Этот метод применяется исключительно в сетях с логической общей ши- ной. Простота схемы доступа – один из факторов, определивших успех стан- дарта Ethernet. Кабель, к которому подключены все станции, работает в режиме коллективного доступа (Multiply Access, MA).

Данные, передаваемые по сети, помещаются в кадры определенной структуры и снабжаются уникальным адресом станции назначения. Затем кадр передается по кабелю. Все станции, подключенные к кабелю, могут распознать факт передачи кадра. Та станция, которая узнает собственный адрес в заголов- ках кадра, записывает его содержимое в свой внутренний буфер, обрабатывает полученные данные и посылает по кабелю кадр-ответ. Адрес станции- источника также включен в исходный кадр, поэтому станция-получатель знает, кому нужно послать ответ.

Чтобы иметь право передавать кадр, АС должна убедиться, что разделяе- мая среда свободна. Признаком незанятости среды является отсутствие на ней несущей частоты, т. е. сигнала данных, уже передаваемых в данный момент ка- кой-либо станцией.

Механизм прослушивания среды и пауза между кадрами не гарантируют, что не возникнет ситуация, когда две или более станций одновременно решат,

 

что среда свободна, и начнут передавать свои кадры. Произойдет коллизия (collision): сигналы кадров от разных передающих станций сталкиваются на общем кабеле, происходит их искажение и, соответственно, искажение переда- ваемой информации. Методы кодирования, используемые в Ethernet, не позво- ляют выделять сигналы каждой станции из общего сигнала.

Коллизия – это нормальная ситуация в работе сетей Ethernet. Она возни- кает из-за того, что один узел начинает передачу раньше другого, но до второго узла сигналы первого просто не успевают дойти к тому времени, когда второй узел решает начать передачу своего кадра (рис. 3.6).

Если размер кадра будет слишком мал, отправитель закончит передачу прежде, чем получит шумовой сигнал, и будет считать, что его кадр успешно принят. Для предотвращения такой ситуации все кадры должны иметь такую длину, чтобы время их передачи было больше двойного оборота сигнала между крайними станциями.

Чтобы корректно обработать коллизию, все станции одновременно наблюдают за возникающими на кабеле сигналами. Если передаваемые и наблюдаемые сигналы отличаются, то фиксируется обнаружение коллизии (collision detection, CD). Для увеличения вероятности немедленного обнаруже- ния коллизии всеми станциями сети, ситуация коллизии усиливается посылкой в сеть станциями, начавшими передачу своих кадров, специальной последова- тельности битов, называемой jam-последовательностью.

Пакет посылается в момент времени 0

Пакет достиг станции В в момент времени t

         

Рис. 3.6. Схема возникновения коллизии в методе случайного доступа CSMA/CD (t – задержка распространения сигнала между станциями A и B)

После этого обнаружившая коллизию передающая станция обязана пре- кратить передачу и сделать паузу в течение короткого случайного интервала времени. Затем она может снова предпринять попытку захвата среды и переда- чи кадра. Случайная пауза T пауза выбирается по следующему правилу:

 

T пауза = LТ отср,

 

где Т отср = 512bt – интервал отсрочки (slot time) (bt – битовый интервал, соот- ветствующий времени между появлением двух последовательных бит данных

 

на кабеле; для скорости 10 Мбит/с битовый интервал равен 0,1 мкс или 100 нс);

L – случайное число, выбираемое с равной вероятностью из диапазона [0, 2 ^N ], N – min (10, П), П ≤ 16. Если 16 последовательных попыток (П) передачи кадра вызывают коллизию, то передатчик должен прекратить попытки и отбросить

этот кадр.

Параметры Ethernet. Все параметры протокола Ethernet подобраны та- ким образом, чтобы при нормальной работе узлов сети коллизии всегда четко распознавались.

Для надежного распознавания коллизий должно выполняться следующее соотношение:

 

T min ≥ PDV,                                       (3.1)

где Т min – время передачи кадра минимальной длины; PDV (Path Delay Value) – время, за которое сигнал коллизии успевает распространиться до самого даль- него узла сети.

Так как в худшем случае сигнал должен пройти дважды между наиболее удаленными друг от друга станциями сети (в одну сторону проходит неиска- женный сигнал, а на обратном пути распространяется уже искаженный колли- зией сигнал), то это время называется временем двойного оборота, или окном коллизий.

Минимальная длина поля данных кадра должна быть не менее 46 байт (что вместе со служебными полями дает минимальную длину кадра в 72 байта, или 576 бит).

Длина кабельной системы выбирается так, чтобы за время передачи кад- ра минимальной длины сигнал коллизии успел бы распространиться до самого дальнего узла сети. Поэтому для скорости передачи данных 10 Мбит/с, исполь- зуемой в стандартах Ethernet, а также с учетом затухания в кабеле и задержек в репитерах в реализациях Ethernet разработчики ограничили максимальное ко- личество сегментов в сети пятью, с длиной каждого не более 500 м. Последнее определило общую длину сети 2500 м.

После окончания передачи кадра все узлы сети обязаны выдержать тех- нологическую паузу (IPG – Inter Packet Gap) в 9,6 мкс. Эта пауза, называемая также межкадровым интервалом, нужна для приведения сетевых адаптеров в исходное состояние, а также для предотвращения монопольного захвата среды одной станцией.

Параметры Ethernet сведены в табл. 3.2.

Таблица 3.2

Параметры Ethernet

Параметр	Значение
Битовая скорость	10 Мб/c
Интервал отсрочки	512 bt
Межкадровый интервал	9,6 мкс
Максим. число попыток передачи	16
Максимальное число возрастания диапазона паузы	10

Продолжение табл. 3.2

Параметр	Значение
Длина jam-последовательности	32 бита
Максимальная длина кадра (без преамбулы)	1518 байтов
Минимальная длина кадра (без преамбулы)	64 байта (512 бит)
Длина преамбулы	64 бита
Минимальное расстояние между узлами	2 м

Максимально возможная пропускная способность Ethernet

V =        1

(57,6 + 9,6)10−6

=14 880 кадр/с.

Сети Ethernet должны удовлетворять двум ограничениям, связанным с методом доступа:

• максимальное расстояние между двумя любыми узлами не должно превышать 2500 м;

• в сети не должно быть более 1024 узлов.

Полезная пропускная способность протокола CSMA/CD:

• для кадров минимальной длины Сп = 14880·46·8=5.48 Мбит/с;

• для кадров максимальной длины Сп=813·1500·8=9.76 Мбит/с.

Использование Ethernet в локальных сетях показывает, что она является

самой недорогой и эффективной сетевой технологией.