Лекция 8. Разновидности сетей Ethernet

Сеть Ethernet впервые была сконструирована в 70-х гг. доктором Робертом Меткалфом как часть проекта "офиса будущего". В то время это была сеть со скоростью работы 3 Мбит/с. В 1980 г. сеть Ethernet была стандар- тизована консорциумом фирм DECIntelXerox (DIX) как сеть со скоростью 10 Мбит/с, а в 1985 г. Она была стандартизована 802м комитетом IEEE. С тех пор новая технология Ethernet наследует признаки базовой структуры исходной схемы Ethernet, предусматривающей логическую шинную топологию и метод множественного доступа с контролем несущей и обнаружением конфликтов (CSMA/CD). В различных типах Ethernet используются различные физические топологии (например, звездообразная или шинная) и различные типы кабелей (например, UTP, коаксиальный, оптоволоконный). Имеется несколько различных типов Ethernet, каждый со своим собственным номером и именем, под которым они наиболее известны. Эти типы описаны в таблице 8.1.

Таблица 8.1

Некоторые типы сетей Ethernet и их описание

Информация, "путешествует" по сети Ethernet в виде пакетов, каждый из которых состоит из шести частей. На рисунке 8.1 показаны части кадра Ethernet в соответствии со стандартом 802.3.

Рисунок 8.1 – структура кадра сети Ethernet

Преамбула. Содержит восемь байтов информации, используемой для позиционирования остальной части информации в пакете.

Адрес назначения. Содержит аппаратный адрес ("зашитый" в плату Ethernet) рабочей станции или станций, которые принимают эту информацию.

Адрес источника. Позволяет принимающей рабочей станции распознать Рабочую станцию, пославшую информацию.

Тип. Определяет тип информации, хранящейся внутри части пакета с Данными — является ли она графической информацией, текстом ASCII или чем-либо другим.

Фактические данные. Это может быть любая информация объемом от 46 до 1500 байтов.

Контрольная последовательность кадра. Позволяет определить ошибки передачи пакета; используется для проверки того, достигла ли остальная часть пакета места назначения без повреждения.

Метод доступа CSMA/CD. Среда, в которую подключены все станции, работает в режиме коллективного доступа. Чтобы получить возможность передачи кадра интерфейс-отправитель должен убедиться, что разделяемая среда свободна (Multiply Access, MA). Чтобы получить возможность передавать кадр, интерфейс-отправитель должен убедиться, что разделяемая среда свободна. Это достигается прослушиванием основной гармоники сигнала, которая также называется несущей частотой (Carrier Sense, CS).

Признаком «незанятости» среды является отсутствие на ней несущей частоты,которая при манчестерском способе кодирования, принятом для всех вариантов Ethernet 10 Мбит/с, равна 5-10 МГц в зависимости от последовательности единиц и нулей, передаваемых в данный момент.

Если среда свободна, то узел имеет право начать передачу кадра. При этом передача распространяется в обе стороны, так что их получают все узлы сети. Кадр данных всегда сопровождается преамбулой, которая состоит из 7 байт, каждый из которых имеет значение 10101010, и 8-го байта, равного 10101011. Последний байт носит название ограничителя начала кадра. Преамбула нужна для вхождения приемника в побитовую и побайтовую синхронизацию с передатчиком. Наличие двух единиц, идущих подряд, говорит приемнику о том, что преамбула закончилась и следующий бит является началом кадра. Все станции, подключенные к кабелю, начинают записывать байты передаваемого кадра в свои внутренние буферы. Первые 6 байт кадра содержат адрес назначения. Та станция, которая узнает собственный адрес в заголовке кадра, продолжает записывать его содержимое в свой внутренний буфер, а остальные станции на этом прием кадра прекращают. Станция назначения обрабатывает полученные данные, передает их вверх по своему стеку. Кадр Ethernet содержит не только адрес назначения, но и адрес источника данных, поэтому станция-получатель знает, кому нужно послать ответ.

После окончания передачи кадра все узлы сети обязаны выдержать технологическую паузу, равную межпакетному интервалу (Inter Packet Gap, IPG) в 9,6 мкс. Эта пауза нужна для приведения сетевых адаптеров в исходное состояние, а также для предотвращения монопольного захвата среды одной станцией. После окончания технологической паузы узлы имеют право начать передачу своего кадра, так как среда свободна.

Механизм прослушивания среды и пауза между кадрами не гарантируют исключения такой ситуации, когда две или более станции одновременно решают, что среда свободна, и начинают передавать свои кадры. При этом происходит коллизия, так как содержимое обоих кадров сталкивается на общем кабеле и происходит искажение информации.

Коллизия — это нормальная ситуация в работе сетей Ethernet. Для возникновения коллизии не обязательно, чтобы несколько станций начали передачу абсолютно одновременно, такая ситуация маловероятна. Более вероятна ситуация, когда один узел начинает передачу, а через некоторое (короткое) время другой узел, проверив среду и не обнаружив несущую (сигналы первого узла еще не успели до него дойти), начинает передачу своего кадра. Таким образом, возникновение коллизии является следствием распределения узлов сети в пространстве.

Чтобы корректно обработать коллизию, все станции одновременно наблюдают за возникающими на кабеле сигналами. Если передаваемые и наблюдаемые сигналы отличаются, то фиксируется факт обнаружения коллизии (Collision Detection, CD). Для увеличения вероятности скорейшего обнаружения коллизии всеми станциями сети станция, которая обнаружила коллизию, прерывает передачу своего кадра (в произвольном месте, возможно, и не на границе байта) и усиливает ситуацию коллизии посылкой в сеть специальной последовательности из 32 бит, называемой jam-последовательностью. После этого обнаружившая коллизию передающая станция обязана прекратить передачу и сделать паузу в течение короткого случайного интервала времени. Затем она может снова предпринять попытку захвата среды и передачи кадра. Случайная пауза выбирается по следующему алгоритму: пауза = L х (интервал отсрочки).

В технологии Ethernet интервал отсрочки выбран равным значению 512 битовых интервалов. Битовый интервал соответствует времени между появлением двух последовательных битов данных на кабеле; для скорости 10 Мбит/с величина битового интервала равна 0,1 мкс, или 100 нс.

L представляет собой целое число, выбранное с равной вероятностью из диапазона [0, 2^N], где N – номер повторной попытки передачи данного кадра: 1, 2,...,10. После 10-й попытки интервал, из которого выбирается пауза, не увеличивается. Таким образом, случайная пауза а технологии Ethernet может принимать значения от 0 до 52,4 мс. Если 16 последовательных попыток передачи кадра вызывают коллизию, то передатчик должен прекратить попытки и отбросить этот кадр. Описанный алгоритм носит название усеченного экспоненциального двоичного алгоритма отсрочки.

В сети Gigabit Ethernet обеспечивается как полудуплексная передача данных для разделяемых областей сети (тех областей, в которых узлы "борются" за использование полосы пропускания сети), так и дуплексная, применяемая для неразделяемых областей, построенных по принципу "коммутатор к коммутатору". Разделяемые области, в которых для устранения конфликтов пакетов используется метод CSMA/CD, взаимодействуют несколько иначе, чем разделяемые области, содержащие более медленные сети Ethernet. Это обусловлено повышенными скоростями линии связи. Поскольку скорость сети высока, в применяемые способы синхронизации должны быть внесены изменения, иначе узлы не смогут "услышать" друг друга перед началом своей передачи. Поэтому в сетях Gigabit Ethernet для устройств, работающих в полудуплексном режиме (узлы сети), минимальный квант времени, предоставляемый каждому пакету, увеличивается от 64 до 512 байтов, т. е. каждому узлу предоставляется окно, достаточное для передачи 512 байтов вместо 64. В пакетах с размерами менее 512 байтов свободные места будут заполнены незначащей информацией, чтобы их размеры соответствовали увеличившимся квантам времени. Поскольку укрупнение квантов времени замедляет передачу пакетов из-за более редких импульсов временных сигналов, в сети Gigabit Ethernet поддерживается групповая передача пакетов, при которой в течение одного временного кванта посылается целая группа маленьких пакетов. Однако такое изменение метода синхронизации не способствует совместимости с медленными сетями Ethernet, в частности, потому, что в дуплексных областях сети Gigabit Ethernet используется такой же 64-битовый квант времени, что и в медленных разновидностях сетей, определенных стандартом 802.3n.

Описанное выше изменение способа синхронизации сети приводит к появлению и другого усовершенствования, применимого, главным образом, для сетей Gigabit Ethernet, используемых на магистральных участках — использовании устройства, называемого буферизованным распределителем. Буферизованный распределитель аналогичен концентратору, соединяющему два и более сегмента сети Gigabit Ethernet, подобно повторителю. Главное отличие между буферизованным распределителем и повторителем состоит в том, что повторитель адресует пакеты во внешние сегменты сразу после их получения, в то время как распределитель может помещать полученные кадры в буфер, что позволяет эффективнее использовать имеющуюся полосу пропускания.

Использование оптоволоконных линий связи для высокоскоростных сетей. Технология Gigabit Ethernet создавалась не на пустом месте. Применяемые в ней методы обеспечения высокой скорости передачи данных по каналам линий связи сети базируются на методах, первоначально разработанных для сетей с оптоволоконными линиями связи.

Оптоволоконный канал изначально задуман как метод, стирающий различия в скорости между сетевыми аппаратными средствами и самой сетью, однако с помощью средств, отличных от обычно применяемых с этой целью. Вместо попытки сделать все части сети доступными из единого пункта (чего, фактически, пытаются достичь во всех других методах организации сети), оптоволоконные каналы физически делают все части сети единым устройством путем замещения сетевых кабелей и высокоскоростных каналов передачи данных на высокоскоростные оптоволоконные каналы, сразу работающие с гигабитными скоростями. Тем самым сервер может быть подключен к жесткому диску кабелями, идущими из него через всю комнату, но при этом жесткий диск остается устройством, локально подключенным к сетевым аппаратным средствам.

В оптоволоконных каналах предполагается, что соединения могут быть трёх типов. Первый: двухточечные, связывающие два устройства. Второй: организованы как физическое кольцо, в котором все устройства соединены вместе кольцевой связью. Третий: организованы в виде так называемой фабрики (fabric), в которой устройства одновременно являются частью физической и логической сети.

Основная литература: 2 [360 – 370], 3[224 –231]

Дополнительная литература: 7 [317 – 340]

Контрольные вопросы:

1. Какова структура кадра сети Ethernet?

2. Какие виды сетей Ethernet знаете?

3. В чем заключается метод доступа CSMA/CD?

4. В чем отличие метода CSMA/CD для Ethernet и Gigabit Ethernet?

5. Какая пропускная способность сети Gigabit Ethernet?