Лвс Ethernet. Общие сведения. Физический уровень лвс Ethernet. Спецификации лвс Ethernet.

Ethernet – технология ЛВС, разработанная совместно фирмами DEC, Intel и Xerox (DIX) и опубликованная в 1980 году в виде стандарта Ethernet II для сети с пропускной способностью 10 Мбит/с, построенной на основе коаксиального кабеля.

На основе стандарта Ethernet II был разработан стандарт IEEE 802.3, который имеет следующие отличия:

· канальный уровень разбит на два подуровня: MAC и LLC;

· внесены некоторые изменения в формат кадра при тех же минимальных и максимальных размерах кадров.

В зависимости от физической среды передачи данных IEEE 802.3 предусматривает различные варианты реализации ЛВС на физическом уровне:

· 10Base-5 – толстый коаксиальный кабель;

· 10Base-2 – тонкий коаксиальный кабель;

· 10Base-T – витая пара;

· 10Base-F – оптоволокно.

В 1995 году был принят стандарт Fast Ethernet с пропускной способностью среды передачи 100 Мбит/с, который представлен в виде дополнительного раздела 802.3u к стандарту IEEE 802.3.

В 1998 году принят стандарт Gigabit Ethernet, описанный в разделе 802.3z для ЛВС с пропускной способностью 1 Гбит/с.

В 2002 году утверждена спецификация IEEE 802.3ае для ЛВС с пропускной способностью 10 Гбит/с (10 Gigabit Ethernet), предусматривающая использование волоконно-оптических кабелей.

В июне 2010 года принят стандарт IEEE P802.3ba для ЛВС с пропускными способностями 40 Гбит/с и 100 Гбит/с: 40 Gigabit Ethernet (40GbE) и 100 Gigabit Ethernet (100GbE).

Перечисленные варианты ЛВС Ethernet и годы появления соответствующих стандартов сведены в табл.3.1.

В стандарте IEEE 802.3 определен метод доступа, используемый в сетях Ethernet (в том числе Fast Ethernet и Gigabit Ethernet) – CSMA/CD – множественный доступ с контролем несущей и проверкой столкновений. Компьютеры в ЛВС Ethernet подключаются к разделяемой среде в соответствии с топологией «общая шина», которая обеспечивает обмен данными между двумя любыми компьютерами сети. Управление доступом к общей среде передачи реализуется средствами сетевого адаптера. Каждый сетевой адаптер, имеет уникальный адрес.

Кадры, передаваемые станциями, проходят через сетевые адаптеры всех станций сети, но только та из них, кому адресован данный кадр, принимает и записывает его в буфер адаптера для дальнейшего формирования сообщения и передачи его в память рабочей станции. Таким образом, в каждый момент времени в сети может передаваться только один кадр. Если передачу кадров начинают одновременно две и более станции, возникает коллизия, в результате которой все кадры искажаются и требуется повторная передача кадров.

Часть сети Ethernet, все узлы которой распознают коллизию, независимо от того, в какой части этой сети коллизия возникла, называется доменом коллизий (collision domain).

Стандарт IEEE 802.3 определяет ограничения, налагаемые на размер ЛВС Ethernet:

· максимальное число станций в сети – 1024;

· максимальная протяженность сети – 3-4 км;

· максимальная длина сегмента сети (расстояние между крайними станциями), зависящая от типа передающей среды:

_ 500 метров – для толстого коаксиального кабеля;

_ 185 метров – для тонкого коаксиального кабеля;

_ 100 метров – для витой пары;

_ 2000 метров – для оптоволоконного кабеля.

Основными топологиями ЛВС Ethernet являются:

· " общая шина ", в которой в качестве среды передачи данных используется коаксиальный кабель;

· " звезда ", в которой центральным узлом является концентратор, а в качестве среды передачи данных используется витая пара или оптоволоконный кабель.

Физический уровень ЛВС Ethernet

Кабельная система сети Ethernet является коммуникационной средой, по которой перемещаются кадры данных. Стандарт физического уровня содержит описание (спецификации) кабелей различных типов, пригодных для реализации сетей с методом доступа CSMA/CD.

Основополосная (прямая, немодулированная) передача (baseband) – метод передачи данных, при котором цифровой сигнал направляется непосредственно в среду передачи без модуляции несущей, при этом вся полоса пропускания используется для передачи только одного цифрового сигнала. Этот метод удобен для передачи данных по каналам с широкой полосой пропускания на небольшие расстояния и характеризуется простотой и дешевизной реализации, в связи с чем широко используется в ЛВС.

Широкополосная передача (broadband) – метод передачи данных, основанный на частотном FDM, временном TDM или волновом WDM уплотнении и создании нескольких частотных или временн ы х каналов, по которым независимо друг от друга могут передаваться несколько потоков данных.

Для всех вариантов физического уровня технологии Ethernet, обеспечивающих пропускную способность 10 Мбит/с, используется манчестерское кодирование.

Спецификация 10Base-5

10Base-5 – стандарт физического уровня, являющийся частью стандарта IEEE 802.3 и описывающий работу сети Ethernet на толстом коаксиальном кабеле (thick Ethernet), используемом в качестве основной магистрали.

Трансивер представляет собой электрическое устройство, осуществляющее физическую передачу и приём данных. Расстояние между соседними трансиверами должно быть кратно 2,5 м для исключения влияния стоячих волн в кабеле на качество передачи сигнала. На концах магистрального кабеля располагаются терминаторы, поглощающие распространяющийся в кабеле информационный сигнал и препятствующие возникновению отражённого сигнала, искажающего полезный сигнал.

Несмотря на громоздкость и трудности при разводке, такая кабельная система позволяет строить достаточно протяженные сети.

Таким образом, основные ограничения для одного сегмента ЛВС Ethernet в соответствии со спецификацией 10Base-5 имеют вид:

· максимальная длина сегмента (расстояние между крайними узлами) – 500 м;

· минимальное расстояние между трансиверами – 2,5 м;

· максимальное число узлов (трансиверов) на сегменте – 100;

· максимальная длина трансиверного кабеля – 50 м.

Стандарт 10Base-5 допускает построение многосегментных сетей с использованием повторителей. Максимальное количество сегментов в сети, допускаемое стандартом, равно 5. Это ограничение обусловлено тем, что повторители только усиливают сигналы, не восстанавливая их форму, что при большом количестве сегментов в сети может привести к появлению значительного процента ошибок.

При построении многосегментной сети необходимо учитывать следующие ограничения:

· сеть может состоять из 5 сегментов, соединенных через повторители;

· в трёх сегментах можно подключать к кабелю до 100 узлов; два других сегмента используются только для увеличения общей протяженности сети;

· повторитель рассматривается как специальный узел, подключенный к сети, поэтому в центральном сегменте с двумя повторителями допускается иметь только 98 станций.

Правило построения многосегментной сети с такими ограничениями получило название «5-4-3», означающее 5 сегментов соединяются с помощью 4-х повторителей, причём нагруженными являются только 3 сегмента.

Таким образом, одна сеть Ethernet 10Base-5:

· может содержать не более 296 узлов (рабочих станций);

· иметь диаметр (максимальную длину кабеля) – не более 2,5 км.

Спецификация 10Base-2

10Base-2 – стандарт физического уровня, утвержденный комитетом IEEE 802.3, описывающий работу сети Ethernet на тонком коаксиальном кабеле (thin Ethernet – тонкий Ethernet, иначе ещё называемый Cheapernet – дешевый Ethernet).

Согласно этой спецификации недопустимо использование отводов к рабочим станциям. Станции подключаются непосредственно к основной магистрали через Т-образные BNC-разъемы. Таким образом, тонкий коаксиальный кабель проходит через сетевые адаптеры всех станций. В остальном, принципы и правила построения одно- и многосегментных ЛВС на тонком и толстом коаксиальном кабеле аналогичны.

Отличие – только в ограничениях на размер сети и количество станций.

Основные ограничения для ЛВС Ethernet в соответствии со спецификацией 10Base-2 имеют вид:

· максимальная длина сегмента (расстояние между крайними узлами) – 185 м;

· максимальное число узлов на сегменте – 30;

· минимальное расстояние между узлами – 1 м;

· многосегментная сеть строится по правилу «5-4-3»: максимально 5 сегментов, 4 повторителя, причём нагруженными являются 3 сегмента;

· в каждом из трёх (средний и два крайних) сегментов можно подключать к кабелю до 30 узлов;

· два других сегмента используются только для увеличения общей протяженности сети, к ним нельзя подсоединять станции;

· повторитель рассматривается как специальный узел, подключенный к сети, поэтому в сети с двумя повторителями допускается иметь только 28 станций.

Таким образом, одна сеть Ethernet 10Base-2:

_ может содержать не более 86 узлов;

_ иметь диаметр (максимальную длину кабеля) – не более 925 м.

Спецификация 10Base-Т

Спецификация 10Base-T, добавленная к стандарту 802.3 в конце 1991 года, описывает сеть Ethernet с топологией типа "звезда" и кабельной системой на основе неэкранированной витой пары. Согласно спецификации 10Base-T сегментом сети является кабель, соединяющий рабочую станцию и концентратор. Это означает, что к каждому сегменту может быть подключено лишь два устройства: станция и концентратор, а количество сегментов равно количеству подключённых к концентратору станций.

При построении многосегментной сети Ethernet 10Base-T используется правило «4-х хабов», которое гласит, что между любыми двумя станциями в сети должно быть не более 4-х концентраторов (хабов).

Основные ограничения для ЛВС Ethernet в соответствии со спецификацией 10Base-Т имеют вид:

· максимальная длина кабеля (между концентратором и рабочей станцией или между двумя концентраторами) – 100 м (рис.3.17);

· число концентраторов между любыми станциями – не более 4;

· максимальный диаметр сети – 500 м (рис.3.18);

· максимальное количество станций в сети – 1024.

Отметим, что максимальное количество станций в ЛВС Ethernet, равное1024, может быть достигнуто только для спецификации 10Base-Т за счёт применения 32-х портовых концентраторов (рис.3.19). В то же время для сетей, построенных на коаксиальном кабеле (10Base-5 и 10Base-2), это значение не достижимо.

Благодаря меньшей стоимости кабельной системы и возможности построения сетей с максимально допустимым количеством станций, сети 10Base-Т получили доминирующее положение на рынке и практически полностью вытеснили сети, построенные на коаксиальном кабеле.

Спецификация 10Base-F

10Base-F – совокупность стандартов физического уровня, описывающих работу сети Ethernet на волоконно-оптическом кабеле с пропускной способностью 10 Мбит/с. В качестве среды передачи данных в оптоволоконной сети Ethernet используется многомодовый волоконно-оптический кабель (ВОК).

Структурная организация сети аналогична стандарту 10Base-T: сетевые адаптеры рабочих станций соединяются с многопортовым повторителем (концентратором) с помощью ВОК и образуют физическую топологию «звезда».

10Base-F включают в себя следующие стандарты.

1. Стандарт FOIRL (Fiber Optic Inter-Repeater Link):

· длина оптоволоконного кабеля между повторителями – до 1 км;

· максимальное число повторителей – 4;

· максимальный диаметр сети – 2500 м.

2. Стандарт 10Base-FL (Fiber Link)– улучшенный вариант стандарта FOIRL, заключающийся в увеличении мощности передатчиков, за счёт чего максимальное расстояние между узлом и повторителем может достигать 2000 м, при этом:

· максимальное число повторителей – 4;

· максимальный диаметр сети – 2500 м.

3. Стандарт 10Base-FB (Fiber Backbone) предназначен только для объединения повторителей в магистраль, при этом:

· между узлами сети можно установить до 5 повторителей стандарта 10Base-FB;

· максимальная длина одного сегмента – 2000 м;

· максимальный диаметр сети – 2740 м.

В отличие от ранее рассмотренных сетей, повторители, используемые в ЛВС Ethernet 10Base-FB, при отсутствии кадров для передачи обмениваются специальными последовательностями сигналов, что позволяет постоянно поддерживать синхронизацию в сети. Поэтому ЛВС, построенную по стандарту 10Base-FB, называют «синхронный Ethernet». Благодаря меньшим задержкам при передаче данных из одного сегмента в другой, количество повторителей увеличено до 5.

33. Канальный уровень ЛВС Ethernet. Кадр Ethernet II (Ethernet DIX). Кадр Raw 8023 (IEEE 8023/Novell). Кадр 8023/LLC (кадр 8023/8022). Кадр Ethernet SNAP. Алгоритм определения типа кадра. Протокол CSMA/CD.

Стандарт ЛВС Ethernet канального уровня IEEE 802.3 описывает формат используемых в сети кадров и метод доступа к среде передачи данных CSMA/CD.

В процессе эволюции сетей Ethernet появились 4 типа кадров:

· Ethernet II или Ethernet DIX, предложенный фирмами DEC, Intel и Xerox (DIX);

· Raw 802.3 или 802.3/Novell, появившийся в результате усилий компании Novell по созданию своего стека протоколов в сетях Ethernet;

· 802.3/LLC или 802.3/802.2, появившийся как результат разделения функций канального уровня на подуровни MAC и LLC;

· Ethernet SNAP, появление которого было вызвано необходимостью приведения предыдущих форматов кадров к общему стандарту.