Особенности функционирований сетей Ethernet

В сетях Ethernet используется метод множественного доступа с контролем несущей и обнаружения столкновений CSMA/CD (Carrier Sence Multi Access/Collision Detecting), характерный для сетей шинной топологии. Большую часть времени рабочие станции, подключенные к сети, находятся в режиме прослушивания канала. Если канал свободен, то постоянная составляющая в нем отсутствует. При отсутствии постоянной составляющей («несущей») любая рабочая станция PC, подготовившая кадр для передачи, может начать его передачу. Переданный кадр по шине поступает на приемники остальных станций, подключенных к шине. Рабочая станция, опознавшая свой адрес, копирует этот кадр в свой приемный буфер. После завершения успешной передачи кадра, все станции, подключенные к шине, включая станцию-отправитель, должны выдержать технологическую паузу, равную для Ethernet – 9,6 мксек. Эта пауза называется межпакетной паузой IPG (Inter Packet Gap). Если же во время передачи кадра возникла конфликтная ситуация, то передача должна быть немедленно прекращена. Коллизия происходит в том случае, когда информация о том, что рабочая станция начала передачу не достигла других станций, так как скорость распространения сигнала равна NVP (Noninal Velocity of Propagation) конечная и составляет V=NVP×C, где С – скорость света. В связи с этим другие станции, которые также прослушивали канал, были убеждены, что шина свободна, также начинают передачу. При появлении коллизии происходит изменение состояния канала (при Манчестерском кодировании изменяется постоянная составляющая в канале). Это изменение обнаружит самая удаленная станция через интервал времени, равный времени распространения сигнала T=L/V, где L – максимальная длина сети, V – скорость распространения сигнала. Время обнаружения коллизий в сетях CSMA/CD выбирается равным удвоенному времени распространения сигнала по шине между PC, наиболее удаленными друг от друга, т.е время 2Т – называют временем двойного оборота PDV (Path Delax Value).

Время передачи короткого кадра Еthernet длиной 64 байта составляет:

T_{K min}= 64×8×t_n = 51,2 мксек,

где t_n=0,1 мксек (длительность битового интервала).

Для того, чтобы сеть Еthernet могла устойчиво функционировать, время двойного оборота не должна превышать время передачи кадра минимальной длины, представленное величиной, равных число битовых интервалов, т.е 512 битовых интервалов. Расчеты показывают, что это условие выполняется, если длина сегмента 10 Base5 = 500м, 10 Base2 = 185м, 10 BaseТ = 100м, 10 BaseF = 2 км.

Рабочие станции при коллизиях переключаются в состояние ожидания. Продолжительность интервала ожидания для каждой станции является случайной величиной, которой зависит от n – числа неудачных попыток:

T_з = 2^min[n,10]×51,2 мксек.

После десятой попытки интервал задержки становится равным:

Т_{З max} = 1024×51,2 мксек = 52,4 мсек и далее не изменяется.

После 16-ой попытки рабочая станция теряет право выхода в сеть.

Для того, чтобы исключить вероятность возникновения ситуации, когда одна рабочая станция монополизирует процесс информационного обмена, каждой станции разрешено пользоваться шиной ограниченное время. По истечению установленного допустимого времени, осуществляется перевод соответствующей станции в пассивное состояние. Величина допустимого интервала активности для рабочей станции составляет от 20 до 150 мс, а время завершения пассивного состояния в пределах от 500 до 2500 мсек.

В заключение определим производительность сети Еthernet при передаче кадров минимальной и максимальной длины при отсутствии коллизий и при возникновении коллизий.

Если время передачи кадра равно Т, то производительность С=1/Т кадров/сек. Максимальную производительность можно получить при передаче кадра минимальной длины.

T_{K min}= (t_pA + t_{K min})×t_u + t_мкп

t_pA – время передачи преамбулы, длина которой составляет 8 байт,

t_мкп = 9,6 мксек – межкадровый промежуток.

T_{K min}= (8 + 64)×8×0,1 мкс + 9,6 мкс = 67,2 мксек.

Отсюда С_max = 1/ T_{K min} = 14880 кадров/с.

Минимальная производительность будет получена при передаче кадра максимальной длины в 1518 байт, т.е

Т_{K max} = (8 + 1518)×8×0,1 мксек + 9,6 мксек = 1230,4 мксек,

Тогда С_min = 1/ Т_{K max} = 812 кадр/ сек.

Эффективная скорость передачи подсчитывается при передаче полезной информации.

V_{эф min} = 14880×46×8 = 5,476 мбит/с,

V_{эф max} = (812×1500)×8 = 9,74 мбит/с.

Наличие коллизий приводит к существенному снижению пропускной способности сети Еthernet, время передачи кадра минимальной длины при наличии коллизии составляет

Т_{К min}^K = T_{K min} + n×T_З, где n – номер попытки.

Известно, что длительность максимальной задержки t_{з max} составляет 52,4 мсек (при n≥10).

Производительность в этом случае составит С_min^К = 1/2Т_{К min}ⁿ = 19 кадров/с, т.е сеть практически оказывается заблокированной.

Сетевая технология Fast Ethernet (FE)

Разновидности сетевых технологий Fast Ethernet (FE)

Сетевая технология Fast Ethernet (FE) утверждена стандартом IEEE 802.3u в 1995 году и имела производительности 100 мбит/с.

Различные варианты технологии Fast Ethernret отличаются не только типом кабеля но и числом используемых в кабеле пар. В сетях Fast Ethernet вместо Манчестерского кодирования использованы коды NRZI и MLT3 и предварительное дополнительное кодирование 4B/5B или 8B/6T. Стандартом предусмотрено следующие разновидности сети FE: (см. рис.2.4), где физический подуровень от среды PMD (Physical Medium Dependent), подуровень подключения к физической среде PMA (Physical Medium Attachment), подуровень кодирования PCS.

Рисунок 2.4

1. Технология 100 Base-Tx использует две экранированные витые пары STP или две витые пары UТР кабеля 5 категорий.

Схема объединения компьютеров по стандарту 100 Base-Tx показана на рис. 2.5:

Рисунок 2.5

JK – коды ограничителя начала потока

T- ограничитель конца потока

I - бездействие (11111)

Для соединения двух компьютеров без применения концентраторов используют стандартный перекрестный кабель, в котором задействованы четыре контакта разъема Rj-45 (два на передачу, два на прием) Длина кабеля не должна превышать 100 м,

2. Технология 100 Base-Fx использует оптоэлектронный кабель 62.5/125 мкм, работающий с длиной волны 1350 нм.

Применение оптоволоконного кабеля позволяет существенно увеличить протяженность сети. Подключение компьютеров в этом случае осуществляется через концентратор с помощью двух разнонаправленных кабелей. Оптоволоконные кабели подсоединяются с помощью разъемов SC или ST. Максимальная длина кабеля составляет 412 м в полудуплексном режиме и до 2км в дуплексном режиме. Как и в предыдущем случае необходимо выполнить предварительное кодирование 4B/5B.

3. Технология 100 Base-T4 применяет оригинальный принцип кодирования 8B/6T. Для передачи информации одновременно используется три витых пары. Четвертая пара используется для обнаружения коллизий.

В данном случае возможно использовать дешевый кабель 3 категории, т.к. тактовая частота сигнала каддой пары равна 25 МГц, откуда производительность сети V = 25 * 8/6 * 3= 100 мбит/c.

В сетях FE межкадровый интервал равен 0.96 мкс (в классической Е – 9.6 мкс), а длительность одного интервала составляет 10 нс.