Технологія Ethernet

Технологія Ethernet (802.3)

Ethernet — це найпоширеніший на сьогоднішній день стандарт локальних мереж. Загальна кількість мереж, які працюють по протоколі Ethernet у даний час, оцінюється в 5 мільйонів, а кількість комп'ютерів з встановленими мережними адаптерами Ethernet — у 50 мільйонів. Коли говорять Ethernet, то під цим звичайно розуміють кожний з варіантів цієї технології.

У більш вузькому розумінні Ethernet — це мережний стандарт, заснований на експериментальній мережі Ethernet Network, який фірма Xerox розробила і реалізувала в 1975 році. Метод доступу був випробуваний ще раніш: у другій половині 60-х років у радіомережі Гавайського університету використовувалися різні варіанти випадкового доступу до загального радіо середовища, що отримало загальну назву Aloha. У 1980 році фірми DEC, Intel і Xerox спільно розробили й опублікували стандарт Ethernet версії ІІ для мережі, побудованої на основі коаксіального кабелю, який став останньою версією фірмового стандарту Ethernet. Тому фірмову версію стандарту Ethernet називають стандартом Ethernet DIX чи Ethernet ІI.

На основі стандарту Ethernet DIX був розроблений стандарт IEEE 802.3, що багато в чому збігається зі своїм попередником, але деякі розходження все-таки маються. У той час як у стандарті IEEE 802.3 розрізняються рівні MAC і LLC, в оригінальному Ethernet обидва ці рівня об'єднані в єдиний канальний рівень. У Ethernet DIX визначається протокол тестування конфігурації (Ethernet Configuration Test Protocol), що відсутній у IEEE 802.3. Трохи відрізняється і формат кадру, хоча мінімальні і максимальні розміри кадрів у цих стандартах збігаються. Часто для того, щоб відрізнити Ethernet, визначений стандартом IEEE, і фірмовий Ethernet DIX, перший називають технологією 802.3, а за фірмовим залишають назва Ethernet без додаткових позначень.

В залежності від типу фізичного середовища стандарт IEEE 802.3 має різні модифікації - l0Base-5, l0Base-2, l0Base-T, l0Base-FL, l0Base-FB.

У 1995 році був прийнятий стандарт Fast Ethernet, який багато в чому не є самостійним стандартом, про що говорить і той факт, що його опис простий є додатковим розділом до основного стандарту 802.3 — розділом 802.3і. Аналогічно, прийнятий у 1998 році стандарт Gigabit Ethernet описаний у розділі 802.3z основного документу.

Для передачі двійкової інформації по кабелю для всіх варіантів фізичного рівня технології Ethernet, що забезпечують пропускну здатність 10 Мбіт/с, використовується манчестерський код.

Всі види стандартів Ethernet (у тому числі Fast Ethernet і Gigabit Ethernet) використовують той самий метод поділу середовища передачі даних — метод CSMA/CD.

Специфікації фізичного середовища Ethernet

Історично перші мережі технології Ethernet були створені на коаксіальному кабелі діаметром 0,5 дюйма. Згодом були визначені й інші специфікації фізичного рівня для стандарту Ethernet, що дозволяють використовувати різні середовища передачі даних. Метод доступу CSMA/CD і всі тимчасові параметри залишаються тими самими для будь-якої специфікації фізичного середовища технології Ethernet 10 Мбіт/с.

Фізичні специфікації технології Ethernet на сьогоднішній день включають наступні середовища передачі даних.

        l0Base-5 — коаксіальний кабель діаметром 0,5 дюйма, що зветься "товстим" коаксіалом. Має хвильовий опір 50 Ом. Максимальна довжина сегмента — 500 метрів (без повторювачів).

        l0Base-2 — коаксіальний кабель діаметром 0,25 дюйма, що зветься "тонким" коаксіалом. Має хвильовий опір 50 Ом. Максимальна довжина сегмента — 185 метрів (без повторювачів).

        l0Base-T — кабель на основі неекранованої кручений пари (Unshielded Twisted Pair, UTP). Утворить зіркоподібну топологію на основі концентратора. Відстань між концентратором і кінцевим вузлом — не більш 100 м.

        l0Base-F — волоконно-оптичний кабель. Топологія аналогічна топології стандарту l0Base-T. Мається кілька варіантів цієї специфікації — FOIRL (відстань до 1000 м), l0Base-FL (відстань до 2000 м), l0Base-FB (відстань до 2000 м).

Число 10 у зазначених вище назвах позначає бітову швидкість передачі даних цих стандартів — 10 Мбіт/с, а слово Base — метод передачі на одній базової частоти 10 МГц (на відміну від методів, що використовують кілька несучих частот, що називаються Broadband — широкополосними). Останній символ у назві стандарту фізичного рівня позначає тип кабелю.

Стандарт 10Base-5

Стандарт l0Base-5 в основному відповідає експериментальній мережі Ethernet фірми Xerox і може вважатися класичним Ethernet. Він використовує як середовище передачі даних коаксіальний кабель із хвильовим опором 50 Ом, діаметром центрального мідного проводу 2,17 мм і зовнішнім діаметром близько 10 мм (“товстий” Ethernet). Такими характеристиками володіють кабелі марок RG-8 і HRG-11.

Різні компоненти мережі, яка складається з трьох сегментів, з'єднаних повторювачами, виконаної на товстому коаксіалі.

Кабель використовується як моно канал для всіх станцій. Сегмент кабелю має максимальну довжину 500 м (без повторювачів) і повинний мати на кінцях термінатори з опором 50 Ом, що поглинають сигнали, які поширюються по кабелю, і перешкоджають виникненню відбитих сигналів. При відсутності термінаторів (“заглушок”) у кабелі виникають стоячі хвилі, так що одні вузли одержують могутні сигнали, а інші — настільки слабкі, що їхній прийом стає неможливим.

Станція повинна підключатися до кабелю за допомогою прийомопередатчика — трансівера (transmitter+receiver = transceiver). Трансівер установлюється безпосередньо на кабелі і живиться від мережного адаптера комп'ютера. Трансівер може приєднуватися до кабелю як методом проколювання, що забезпечує безпосередній фізичний контакт, так і безконтактним методом.

Трансівер з'єднується з мережним адаптером інтерфейсним кабелем АUI (Attachment Unit Interface) довжиною до 50 м, що складається з 4 кручених пар (адаптер повинний мати роз'єм AUI). Наявність стандартного інтерфейсу між трансівером і іншою частиною мережного адаптера дуже корисно при переході з одного типу кабелю на іншій. Для цього досить тільки замінити Трансівер, а інша частина мережного адаптера залишається незмінною, тому що вона відпрацьовує протокол рівня MAC. При цьому необхідно тільки, щоб новий трансівер (наприклад, трансівер для кручений пари) підтримував стандартний інтерфейс AUI. Для приєднання до інтерфейсу AUI використовується роз'єм DB-15.Допускається підключення до одного сегмента не більш 100 трансіверов, причому відстань між підключеннями трансіверов не повинне бути менше 2,5 м. На кабелі мається розмітка через кожні 2,5 м, що позначає точки підключення трансіверов. При приєднанні комп'ютерів відповідно до розмітки вплив стоячих хвиль у кабелі на мережні адаптери зводиться до мінімуму.

Трансівер — це частина мережного адаптера, що виконує наступні функції:

        прийом і передача даних з кабелю на кабель;

        визначення колізій в кабелі;

        електрична розв'язка між кабелем і іншою частиною адаптера;

        захист кабелю від некоректної роботи адаптера.

Останню функцію іноді називають "контролем балакучості", що є буквальним перекладом відповідного англійського терміна (jabber control). При виникненні несправностей в адаптері може виникнути ситуація, коли на кабель буде безупинно видаватися послідовність випадкових сигналів. Тому що кабель — це загальне середовище для всіх станцій, то робота мережі буде заблокована одним несправним адаптером. Щоб цього не трапилось, на виході передавача ставиться схема, що перевіряє час передачі кадру. Якщо максимально можливий час передачі пакета перевищується (з деяким запасом), то ця схема просто від'єднує вихід передавача від кабелю. Максимальний час передачі кадру (разом із преамбулою) дорівнює 1221 мкс, а час jabber-контролю встановлюється рівним 4000 мкс (4 мс).

Спрощена структурна схема трансівера:передавач і приймач приєднуються до однієї точки кабелю за допомогою спеціальної схеми, наприклад трансформаторної, що дозволяє організувати одночасну передачу і прийом сигналів з кабелю.

Детектор колізій визначає наявність колізії в коаксіальному кабелі по підвищеному рівню постійної складової сигналів. Якщо постійна складова перевищує визначений поріг (близько 1,5 В), то виходить, що на кабель працює більш одного передавача. Елементи, що розв'язують, (РЭ) забезпечують гальванічну розв'язку трансівера від іншої частини мережного адаптера і тим самим захищають адаптер і комп'ютер від значних перепадів напруги, які виникають на кабелі при його ушкодженні.

Стандарт l0Base-5 визначає можливість використання в мережі спеціального пристрою - повторювача (repeator). Повторювач служить для об'єднання в одну мережу декількох сегментів кабелю і збільшення тим самим загальної довжини мережі. Повторювач приймає сигнали з одного сегмента кабелю і побітно синхронно повторює їх в іншому сегменті, поліпшуючи форму і потужність імпульсів, а також синхронізуючи імпульси. Повторювач складається з двох (чи декількох) трансіверов, що приєднуються до сегментів кабелю, а також блоку повторення зі своїм тактовим генератором. Для кращої синхронізації переданих біт повторювач затримує передачу декількох перших біт преамбули кадру, за рахунок чого збільшується затримка передачі кадру із сегмента на сегмент, а також трохи зменшується міжкадровий інтервал IPG.

Стандарт дозволяє використання в мережі не більш 4 повторювачів і, відповідно, не більш 5 сегментів кабелю. При максимальній довжині сегмента кабелю в 500 м це дає максимальну довжину мережі l0Base-5 у 2500 м. Тільки 3 сегменти з 5 можуть бути навантаженими, тобто такими, до яких підключаються кінцеві вузли. Між навантаженими сегментами повинні бути ненавантажені сегменти, так що максимальна конфігурація мережі являє собою два навантажених крайніх сегменти, що з'єднуються ненавантаженими сегментами ще з одним центральним навантаженим сегментом.

Правило застосування повторювачів у мережі Ethernet l0Base-5 зветься "правило 5-4-3": 5 сегментів, 4 повторювачі, 3 навантажених сегменти. Обмежене число повторювачів мотивується додатковими затримками поширення сигналу, які вони вносять. Застосування повторювачів збільшує час подвійного поширення сигналу, що для надійного розпізнавання колізій не повинно перевищувати час передачі кадру мінімальної довжини, тобто кадру в 72 байт чи 576 біт.

Кожен повторювач підключається до сегмента одним своїм трансивером, тому до навантажених сегментів можна підключити не більше 99 вузлів. Максимальне число кінцевих вузлів у мережі 10Base-5 за таким способом складає 99х3=297 вузлів.

До достоїнств стандарту l0Base-5 відносяться:

        гарна захищеність кабелю від зовнішніх впливів;

        порівняно велика відстань між вузлами;

        можливість простого переміщення робочої станції в межах довжини кабелю AUI. 

Недоліками l0Base-5 є:

        висока вартість кабелю;

        складність його прокладки через велику твердість(кабелю);

        потреба в спеціальному інструменті для закладення кабелю;

        зупинка роботи всієї мережі при ушкодженні кабелю чи поганому з'єднанні

        необхідність заздалегідь передбачити підводку кабелю до всіх можливих місць розміщення комп'ютерів.

Стандарт 10Base-2

Стандарт 10Base-2 використовує як передавальне середовище коаксіальний кабель з діаметром центрального мідного проводу 1,89 мм і зовнішнім діаметром біля 5 мм ("тонкий" Ethernet). Кабель має хвильовий опір 50 Ом. Такими характеристиками володіють кабелі марок RG-58/U, RG-58A/U, RG-58C/U.

Максимальна довжина сегмента без повторювачів складає 185 м, сегмент повинний мати на кінцях погоджуючи термінатори з опором 50 Ом. Тонкий коаксіальний кабель дешевше товстого, через що мережі l0Base-2 іноді називають мережами Cheapernet (від cheaper — більш дешевий). Але за дешевизну кабелю приходиться розплачуватися якістю — "тонкий2 коаксіал має гіршу перешкодозахищеність, гіршою механічну міцністю і більш вузькою смугою пропущення.

Станції підключаються до кабелю за допомогою високочастотного BNC Т-конектора, що являє собою трійник, один відвід якого з'єднується з мережним адаптером, а два інших — із двома кінцями розриву кабелю. Максимальна кількість станцій, що підключаються до одного сегмента, — 30. Мінімальна відстань між станціями —1м. Кабель "тонкого" коаксіалу має розмітку для підключення вузлів із кроком у 1 м.

Стандарт l0Base-2 також передбачає використання повторювачів, застосування яких також повинно відповідати "правилу 5-4-3". У цьому випадку мережа буде мати максимальну довжину в 5х185=925 м. Очевидно, що це обмеження є більш сильним, чим загальне обмеження в 2500 метрів.

Стандарт l0Base-2 дуже близький до стандарту l0Base-5. Але трансівери в ньому об'єднані з мережними адаптерами за рахунок того, що більш гнучкий тонкий коаксіальний кабель може бути підведений безпосередньо до вихідного розлому плати мережного адаптера, встановленого в шасі комп'ютера. Кабель у даному випадку "висить" на мережному адаптері, що утрудняє фізичне переміщення комп'ютерів.

Реалізація цього стандарту на практиці приводить до найбільш простого рішення для кабельної мережі, тому що для з'єднання комп'ютерів вимагаються тільки мережні адаптери, Т-конектори і термінатори 50 Ом. Однак цей вид кабельних з'єднань найбільше сильно підданий аваріям і збоям: кабель більш схильний до сприймання перешкод, ніж "товстий" коаксіал, у моноканалі мається велика кількість механічних з'єднань (кожен Т-конектор дає три механічних з'єднання, два з який мають життєво важливе значення для всієї мережі), користувачі мають доступ до розйомів і можуть порушити цілісність моноканалу. Крім того, естетика і ергономічність цього рішення залишають бажати кращого, тому що від кожної станції через Т-конектор відходять два досить помітних проводи, що під столом часто утворять моток кабелю — запас, необхідний на випадок навіть невеликого переміщення робочого місця.

Загальним недоліком стандартів l0Base-5 і l0Base-2 є відсутність оперативної інформації про стан моноканалу. Ушкодження кабелю виявляється відразу ж (мережа перестає працювати), але для пошуку відрізка кабелю, що відмовив, необхідний спеціальний прилад - кабельний тестер.

Стандарт 1OBase-Т

Стандарт прийнятий у 1991 році, як доповнення до існуючого набору стандартів Ethernet, і має позначення 802.3L.

Мережі 10Base-Т використовують як середовище дві неекрановані кручені пари (Unshielded Twisted Pair, UTP). Багатопарний кабель на основі неекранованої кручений пари категорії 3 (категорія визначає смугу пропущення кабелю, величину перехресних наведень NEXT і деякі інші параметри його якості) телефонні компанії вже досить давно використовували для підключення телефонних апаратів усередині будинків. Цей кабель носить також назву Voice Grade, що говорить про те, що він призначений для передачі голосу.

Ідея пристосувати цей популярний вид кабелю для побудови локальних мереж виявилася дуже плідною, тому що багато будинків вже були оснащені потрібною кабельною системою. Залишалося розробити спосіб підключення мережних адаптерів і іншого комунікаційного устаткування до крученого парі таким чином, щоб зміни в мережних адаптерах і програмного забезпечення мережних операційних систем були б мінімальними в порівнянні з мережами Ethernet, на коаксіалі. Це вдалося, тому перехід на кручену пару вимагає тільки заміни трансівера мережного адаптера чи порту маршрутизатора, а метод доступу і всі протоколи канального рівня залишилися тими ж, що й у мережах Ethernet на коаксіалі.