Спецификации физической среды Ethernet и Fast Ethernet.

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. Метод доступа CSMA/CD остаются одними и теми же для любой спецификации физической среды технологии Ethernet.

Для сети Ethernet, работающей на скорости 10 Мбит/с, стандарт определяет четыре основных типа сегментов сети, ориентированных на различные среды передачи информации:

· 10BASE-5 (толстый коаксиальный кабель диаметром 0,5 дюйма);

· 10BASE-2 (тонкий коаксиальный кабель диаметром 0,2 дюйма);

· 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.

Стандарт 10BASE-5 определяет сегмент Ethernet на основе толстого коаксиального кабеля с топологией шина длиной до 500 метров.

Толстый коаксиальный кабель – это классический тип кабеля, который использовался в сети Ethernet с самого начала. В настоящее время он не столь широко распространен, хотя и обеспечивает максимальную протяженность сети с топологией шина. Это связано в первую очередь с большими трудностями монтажа аппаратуры и высокой ее стоимостью.

Толстый коаксиальный кабель представляет собой 50-омный кабель диаметром около 1 сантиметра и отличается высокой жесткостью.

На обоих концах кабеля сегмента должны быть установлены 50-омные терминаторы N-типа, один из которых надо заземлить.

Толстый кабель никогда не подводят непосредственно к компьютеру сети, это сложно и неудобно для использования, так как компьютеры нельзя будет переместить. Его прокладывают по стене или по полу помещения. Для присоединения сетевых адаптеров к толстому кабелю служат специальные трансиверы (см. рис. …).

Трансивер (устройство присоединения к среде­ - MAU, Medium Attachment Unit) устанавливается непосредственно на толстом кабеле и связывается с адаптером трансиверным кабелем (трансиверный кабель называется также AUI кабелем - Attachment Unit Interface).

Длина непрерывного сегмента толстого кабеля составляет 500 м. Эта длина выбрана для обеспечения необходимой мощности сигнала при его прохождении между наиболее удаленными друг от друга станциями с учетом затухания сигнала. Увеличить длину сети (часто применяется также термин «максимальный диаметр сети»), можно используя многосегментные сети, которые строятся из нескольких сегментов, соединенных повторителями.

Повторитель (репитер – repeater) используется для физического соединения различных сегментов кабеля локальной сети с целью увеличения общей длины сети. Повторитель передает сигналы, приходящие из одного сегмента сети, в другие ее сегменты (рис. …). Повторитель позволяет преодолеть ограничения на длину линий связи за счет улучшения качества передаваемого сигнала – восстановления его мощности и амплитуды, улучшения фронтов и т. п.

Стандарт 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 10Base-5 в 2500 м. Ограниченное число повторителей объясняется дополнительными задержками распространения сигнала, которые они вносят.

Стандарт 10BASE2 определяет сегмент Ethernet на основе тонкого коаксиального кабеля с топологией шина длиной до 185 метров (то есть около 200 метров, на это указывает цифра 2 в названии сегмента). Данный тип сегмента появился позже, чем сегмент 10BASE-5, как более удобная и дешевая альтернатива классическому варианту Ethernet.

Тонкий коаксиальный кабель отличается от толстого вдвое меньшим диаметром (около 5 мм), значительно большей гибкостью, удобством монтажа, стоимостью (примерно в три раза дешевле толстого). Однако его электрические параметры (затухание, помехозащищенность) хуже, чем у толстого кабеля, что и определяет меньшую допустимую длину сегмента.

На плате адаптера должен находиться BNC-разъем, к которому присоединяется BNC T-коннектор, связывающий плату с двумя кусками кабеля (рис. ….).

Рисунок 4‑4 Присоединение адаптера к тонкому коаксиальному кабелю

При необходимости увеличения длины сети можно использовать репитеры (рис. …) Если вся сеть выполняется на тонком кабеле, то, согласно стандарту, количество сегментов не должно превышать пяти (таким образом, общая длина сети составит 925 метров, потребуется четыре репитера).

Стандарт 10BASE-T определяет сегмент Ethernet на основе неэкранированных витых пар (UTP) категории 3 и выше с топологией звезда.

Конечные узлы соединяются по топологии «точка-точка» со специальным устройством – многопортовым повторителем. Повторитель принимает сигналы от одного из конечных узлов и синхронно передает их на все свои остальные порты, кроме того, с которого поступили сигналы.

Многопортовые повторители в данном случае обычно называются концентраторами (concentrator или hub). Концентратор осуществляет функции повторителя сигналов на всех отрезках витых пар, подключенных к его портам, так что образуется единая среда передачи данных – логический моноканал (логическая общая шина).

Т.е. концентратор работает на физическом уровне сетевой модели OSI, повторяет приходящий на один порт сигнал на все активные порты.

Стандарт определяет максимальное расстояние отрезка витой пары между двумя непосредственно связанными узлами (станциями и концентраторами) не более 100 м при наличии витой пары качества не ниже категории 3 (в настоящее время рекомендуется использовать более качественный кабель категории 5 или даже выше). Это расстояние определяется полосой пропускания витой пары.

Концентраторы 10Base-T можно соединять друг с другом с помощью тех же портов, которые предназначены для подключения конечных узлов. При этом нужно позаботиться о том, чтобы передатчик и приемник одного порта были соединены соответственно с приемником и передатчиком другого порта. Т.е. концентраторы можно соединять друг с другом иерархическим способом, образуя древовидную структуру (рис, …).

Для обеспечения синхронизации станций при реализации процедур доступа CSMA/CD и надежного распознавания станциями коллизий в стандарте 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 10Base-T составляет 5x100 - 500 м.

Сети, построенные на основе стандарта 10Base-T, обладают по сравнению с коаксиальными вариантами Ethernet многими преимуществами. Эти преимущества связаны с разделением общего физического кабеля на отдельные кабельные отрезки, подключенные к центральному коммуникационному устройству. И хотя логически эти отрезки по-прежнему образуют общую разделяемую среду, их физическое разделение позволяет контролировать их состояние и отключать в случае обрыва, короткого замыкания или неисправности сетевого адаптера на индивидуальной основе.

Стандарт 10BASE-FL (оптоволоконный Ethernet) в качестве среды передачи данных использует достаточно дешевое многомодовое оптическое волокно, обладающее полосой пропускания 500-800 МГц при длине кабеля 1 км. Передача информации в данном случае идет по двум оптоволоконным кабелям, передающим сигналы в разные стороны. Иногда используются двухпроводные оптоволоконные кабели, содержащие два кабеля в общей внешней оболочке.

Для подключения сетевого адаптера к оптическому кабелю обычно используют оптоволоконный трансивер, который называется FOMAU (Fiber Optic MAU).Он выполняет все функции обычного трансивера (MAU), но, кроме того, преобразует электрический сигнал в оптический при передаче и обратно при приеме.

Стандарт 100BASE-TX (Fast Ethernet) появился значительно позже стандарта Ethernet – в 1995 году. Его разработка в первую очередь была связана с требованием повышения скорости передачи информации.

Схема объединения компьютеров в сеть 100BASE-TX практически ничем не отличается от схемы по стандарту 10BASE-T. Однако, в этом случае необходимо применение кабелей с неэкранированными витыми парами (UTP) категории 5 или выше. В настоящее время это самый популярный тип сети Fast Ethernet.

Длина кабеля так же не может превышать 100 метров. 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 (как эта проблема решается будет рассказано в разделе посвященном технологии коммутации).

Стандарт 100BASE-FX предусматривает применение оптоволоконного кабеля, что позволяет существенно увеличить протяженность сети, а также избавиться от электрических наводок и повысить секретность передаваемой информации.

Аппаратура 100BASE-FX очень близка к аппаратуре 10BASE-FL. Точно так же здесь используется топология звезда с подключением компьютеров к концентратору с помощью двух разнонаправленных оптоволоконных кабелей. Максимальная длина кабеля между компьютером и концентратором составляет 412 метров, причем это ограничение определяется не качеством кабеля, а установленными временными соотношениями.

Сеть Gigabit Ethernet

Сеть Gigabit Ethernet – это естественный, эволюционный путь развития концепции, заложенной в стандартной сети Ethernet. Безусловно, она наследует и все недостатки своих прямых предшественников, например, негарантированное время доступа к сети. Однако огромная пропускная способность приводит к тому, что загрузить сеть до тех уровней, когда этот фактор становится определяющим, довольно трудно. Зато сохранение преемственности позволяет достаточно просто соединять сегменты Ethernet, Fast Ethernet и Gigabit Ethernet в сеть, и, самое главное, переходить к новым скоростям постепенно, вводя гигабитные сегменты только на самых напряженных участках сети. (К тому же далеко не везде такая высокая пропускная способность действительно необходима.) Если же говорить о конкурирующих гигабитных сетях, то их применение может потребовать полной замены сетевой аппаратуры, что сразу же приведет к большим затратам средств.

В сети Gigabit Ethernet сохраняется все тот же хорошо зарекомендовавший себя в предыдущих версиях метод доступа CSMA/CD, используются те же форматы пакетов (кадров) и те же их размеры. Не требуется никакого преобразования протоколов в местах соединения с сегментами Ethernet и Fast Ethernet. Единственно, что нужно, – это согласование скоростей обмена, поэтому главной областью применения Gigabit Ethernet станет в первую очередь соединение концентраторов Ethernet и Fast Ethernet между собой.

Номенклатура сегментов сети Gigabit Ethernet в настоящее время включает в себя следующие типы:

· 1000BASE-SX – сегмент на мультимодовом оптоволоконном кабеле длиной до 500 метров. Используются лазерные передатчики.

· 1000BASE-LX – сегмент на мультимодовом (длиной до 500 метров) и одномодовом (длиной до 2000 метров) оптоволоконном кабеле. Используются лазерные передатчики.

· 1000BASE-CX – сегмент на экранированной витой паре (длиной до 25 метров).

· 1000BASE-T – сегмент на счетверенной неэкранированной витой паре категории 5 (длиной до 100 метров).

Но даже сеть Gigabit Ethernet не может решить некоторых задач. Уже предлагается и 10-гигабитная версия Ethernet, называемая 10Gigabit Ethernet. Она принципиально отличается от предыдущих версий. В качестве среды передачи используется исключительно оптоволоконный кабель.