Для чего в сетях технологий fast ethernet введены автопереговоры

Обновлено: 30.06.2024

Сетевые архитектуры. Ethernet. CSMA/CD, коллизии. Кодирование.

Сетевые архитектуры. Ethernet.
Ethernet - широковещательная система, станция может начать передачу в любой момент, конкуренция. Множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов CSMA/CD. CS - постоянная проверка среды передачи (idle, busy). MA - любая станция, если среда свободна может начать передачу. Коллизии - CD.
Манчестерский код (униполярный сигнал), повышение среднего напряжения в линии (отлавливается аппаратурой).
Алгоритм CSMA/CD:
Передача пакета - формирование пакета, среда свободна?, начало передачи, есть конфликт?, счетчик попыток (среда заблокирована), расчет времени задержки.
Прием - начало приема, прием начался?, есть конфликт?, адрес распознан?, верное CRC? Нет-лишние биты (ошибка: длинный пакет, ошибка CRC) / Да-правильная длина? (ошибка длины/прием успешный).
Коллизия - станция выдает JAM-последовательность (32 бита). Далее прекращение передачи всеми станциями на опред. время Delay => while attempts k ); delay:=r*Slot_time (время для определения коллизии, в два раза больше времени распространения).

Кадры Novell 802.3 (или Raw 802.3), стандарта 802.3 (или Novell 802.2), Ethernet DIX (или Ethernet II), Ethernet SNAP. Три типа процедур обмена данными LLC 1 - 3.

Поле преамбулы состоит из семи байтов 10101010 - дать время и возможность схемам приемопередатчиков (transceiver) синхронизоваться.
Начальный ограничитель кадра (Start of frame delimiter) 10101011 - указанием на предстоящий прием кадра.
Адрес получателя (DA) - 6 байт (MAC-адрес получателя). Первый бит адреса получателя - 0, то адрес указывает на определенную станцию, если 1, то это групповой адрес нескольких (возможно всех) станций сети. При широковещательной адресации все биты поля адреса устанавливаются в 1.
Адрес отправителя (SA) - 6-ти байтовое поле, содержащее адрес станции отправителя. Первый бит всегда 0.
Двухбайтовое поле длины определяет длину поля данных в кадре.
Поле данных может содержать от 0 до 1500 байт. Если длина поля меньше 46 байт, то используется:
Поле заполнения до 64байт в кадре. Это обеспечивает корректную работу механизма обнаружения коллизий. Если длина поля данных достаточна, то поле заполнения в кадре не появляется.
Поле контрольной суммы (FCS) - 4 байта.

Novell использовала только IPX, потом одумалась и зарегистрировала Novell 802.2:
Кадр стандарта 802.3
+заголовок LLC уровня из трех байт в поле данных. Само поле данных 43-1497. точка входа в сервис назначения (Destination Service Access Point, DSAP), точка входа в сервис источника (Source Service Access Point, SSAP) и поле управления (тип кадра). Первые два для характеризации протоколов верхнего уровня, данные которых представлены в поле данных кадра LLC. Для IPX DSAP и SSAP равны Е0.
Три типа процедур обмена данными:
LLC 1 определяет обмен данными без предварительного установления соединения и без повторной передачи кадров в случае обнаружения ошибочной ситуации, то есть является процедурой дейтаграммного типа. Этот тип процедуры и используется во всех практических реализациях Ethernet. Поле управления для этого типа процедур имеет значение 03, что определяет все кадры как ненумерованные.
LLC 2 определяет режим обмена с установлением соединений, нумерацией кадров, управлением потоком кадров и повторной передачей ошибочных кадров. В локальных сетях Ethernet этот режим используется редко.
LLC 3 определяет режим передачи данных без установления соединения, но с получением подтверждения о доставке информационного кадра адресату. Только после этого может быть отправлен следующий информационный кадр.
Кадр Ethernet DIX (или кадр Ethernet II)
Вместо поля длина - поле Type (значение больше1518). Всегда 1500байт.
Кадр Ethernet SNAP
(SubNetwork Access Protocol, для ограничения доступа к сети компьютеров других организаций) - в поля DSAP и SSAP записывается значение AA, тип кадра 03, а для обозначения типа протокола, вложенного в поле данных, используются следующие 4 байта, байты идентификатора организации (OUI, 3байта) всегда равны 00 (за исключением протокола AppleTalk), а последний байт (TYPE) содержит идентификатор типа протокола (например, 08 для IP).

Различия в форматах кадров технологии Ethernet могут иногда приводить к несовместимости аппаратуры, рассчитанной на работу только с одним стандартом. Производится автоматическое детектирование типов кадров по характерным значениям некоторых полей. Этого не бывает в Token Ring и FDDI: там всегда используются кадры стандартного формата.

Ethernet и FastEthernet. 100Base-TX, 100Base-T4, 100Base-FX. Уровень согласования (reconciliation sublayer); независимый от среды интерфейс (Media Independent Interface), устройство физического уровня (Physical layer device).

Ethernet и FastEthernet.
В мае 1995 года комитет IEEE принял спецификацию Fast Ethernet в качестве стандарта 802.3u. Отличия FE от E обусловлены не только использованием разл. вариантами кабельных систем и электрическими параметрами импульсов, как это сделано в технологии 10 Мб/с Ethernet: 100Base-TX для двухпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP Category 5, или экранированной витой паре STP Type 1; 100Base-T4 для четырехпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP Category 3, 4 или 5; 100Base-FX для многомодового оптоволоконного кабеля, но и способом кодирования сигналов и количеством используемых в кабеле проводников.

уровень согласования (reconciliation sublayer);
независимый от среды интерфейс (Media Independent Interface, MII, внутренний и внешний (40 Pin, 1м, 5v)) - поддерживает независимый от используемой физической среды способ обмена данными между MAC-подуровнем и подуровнем PHY. Похож на AUI, только AUI между PHY (там всегда одинаковое кодирование) и PMA.
устройство физического уровня (Physical layer device, PHY) - обеспечивает кодирование данных, поступающих от MAC-подуровня для передачи их по кабелю определенного типа, синхронизацию передаваемых по кабелю данных, а также прием и декодирование данных в узле-приемнике.

Физический уровень 100Base-FX - многомодовое оптоволокно. NRZI, 4b/5b.

Физический уровень 100Base-FX.
Многомодовое оптоволокно. Прием данных в параллельной форме от MAC-подуровня, трансляцию их в один (TX или FX) или три последовательных потока бит с возможностью побитной синхронизации и передачу их через разъем на кабель и наоборот на приемной стороне.
PHY FX == PCS (4b/5b), PMA, PMD.
Rx - приемник, Tx - передатчик. PHY FX и TX похожи. Результирующий код передается со скоростью 125МГц, 8нс - межбитовое расстояние. Из 32 комбинаций 5бит используется 16, остальные - под служебные. Схема непрерывного обмена инфой. В отличие от 10BaseT, незанятая сеть наполнена символами Idle (11111) - поддерживается синхронизм и проверяется целостность сети. Есть запрещенные комбинации, сл. повышается устойчивость сети за счет отбрасывания таких символов.
Для отделения кадра Ethernet от символов Idle используется комбинация символов Start Delimiter (пара символов JK), а после завершения кадра перед первым символом Idle вставляется символ T - ограничитель конца потока значащих символов.

Физический уровень 100Base-TХ - двухпарная витая пара. Auto-negotiation - автопереговоры по принятию режима работы порта. Полнодуплексный режим работы.

Физический уровень 100Base-T4 - четырехпарная витая пара.

Физический уровень 100Base-T4.
Четырехпарная витая пара PHY T4 для старых сетей на категории 3.
PHY T4 == PCS (8B/6T), PMA + Auto-negotiation.
Каждые 8 бит информации MAC-уровня кодируются 6-ю троичными цифрами (ternary symbols), то есть цифрами, имеющими три состояния, 40 наносекунд. Группа из 6-ти троичных цифр затем передается на одну из трех передающих витых пар, независимо и последовательно. Четвертая пара - для прослушивания несущей частоты в целях обнаружения коллизии. 3*25Мгц=3*33.3 Мб/c.
Соединение RJ-45 карты с портом репитера по спецификации PHY T4:

Величина битового интервала для скорости 100 Мбит/с - 0,01 мкс

Межкадровый интервал - 0,96 мкс

Все временные параметры алгоритма доступа (интервал отсрочки, время передачи кадра минимальной длины и т.п.), где базой отсчета является битовый интервал, остались прежними.

Для обозначения свободного состояния среды введен служебный символ Idle, который постоянно циркулирует между передатчиком и приемником, поддерживая их синхронизм и в периодах между передачами информации, а, также позволяя контролировать работоспособность линии.
Структура кадра показана на рисунке 1.

ЦК - циклический код

Рис.1 Структура кадра

Уровень согласования позволяет организовать работу уровня MAC, рассчитанного на интерфейс AUI (Attachment Unit Interface) с физическим уровнем через интерфейс MII. Интерфейс МП поддерживает независимый от физической среды способ обмена данными между подуровнем MAC и подуровнем PHY.

Сравнение технологий Fast Ethernet и Ethernet

Разъем МП в отличие от разъема AUI имеет 40 контактов, максимальная длина кабеля МП составляет один метр. Сигналы, передаваемые по интерфейсу МП, имеют амплитуду 5 В.

Графическое сравнение технологий Fast Ethernet и Ethernet представлено на рисунке 3.

Рис.3 Сравнение спецификаций Fast Ethernet и Ethernet

Спецификация физической среды Fast Ethernet

100Base-TX - двухпарный кабель на основе неэкранированной витой паре UTP категории 5 или экранированной витой паре STP Type 1. Максимальная длина кабеля - 100 м. Оборудование 100Base-TX может работать совместно с оборудованием 10 Мбит Ethernet.
Для передачи сигналов используется логическое кодирование 4B/5B и физическое кодирование MLT-3.
Существование запрещенных комбинаций символов позволяет отбраковывать ошибочные символы, что повышает устойчивость работы сети.
Основное отличие спецификации 100BaseTX это наличие функции автопереговоров для выбора режима работы. Схема автопереговоров позволяет двум соединенным устройствам, поддерживающим несколько стандартов физического уровня, выбрать наиболее выгодный режим работы. Выбор режима начинается с высокоскоростного, если он не поддерживается, то происходит попытка установить связь в менее приоритетном режиме.

Режим 10 BaseT имеет самый низкий приоритет в схеме автопереговоров, 100 BaseT fullduplex - самый высокий.

Семейство технологий Ethernet.

Модификации Ethernet.

Варианты соединения	Скорость
Ethernet	Коаксиальный кабель, оптика, витая пара	10 Мб/с
Fast Ethernet	Оптика, витая пара	100 Мб/с
Gigabit Ethernet	Оптика, витая пара	1 Гб/с
10G Ethernet	Оптика, витая пара	10 Гб/с

Как мы и отметили сразу, различаются, в первую очередь, скорость передачи данных и тип используемого кабеля. На заре развития Ethernet использовались исключительно коаксиальные кабели, и лишь затем появились варианты с витой парой и оптикой, что привело к значительному расширению возможностей. К примеру, использование витой пары дает одновременно:

Ethernet (10 Мб/с)
10Base-2
10Base-5
10Base-T
10Base-F
10Base-FL

При этом различная физическая реализация подключения (разные кабели) приводят к возможности использования разных топологий сети. Для 10Base-5 максимально топорно:

А вот 10Base-T уже может использовать полнодуплексную передачу данных:

Здесь, как видите присутствует устройство под названием сетевой концентратор. Поэтому небольшое лирическое отступление на эту тему.

Зачастую термины сетевой концентратор, сетевой коммутатор и маршрутизатор перемешиваются и могут использоваться для описания одного и того же. Но строго говоря, все эти три термина относятся к абсолютно разному типу устройств:

Сетевой концентратор (хаб) работает на 1-м (физическом) уровне модели OSI и ретранслирует сигнал с одного входящего порта, на несколько исходящих. На этом его функционал заканчивается.
Сетевой коммутатор (свитч) работает на 2-м (канальном уровне). Здесь также происходит передача данных от одного устройства нескольким, но при этом коммутатор анализирует кадры на предмет MAC-адреса получателя и передает пакет только тому узлу, которому он адресован(!). Адресацию и структуру кадров подробно разберем чуть ниже.
Маршрутизатор же и вовсе работает на 3-м уровне (сетевом) модели OSI.

Кадр Ethernet.

Вся передаваемая информация поделена на пакеты/кадры, имеющие следующий формат:

Рассмотрим блоки подробнее:

Все поля, кроме поля данных, являются служебными.

При этом контрольная сумма в данном случае никоим образом не может помочь в устранении ошибки, она только сигнализирует о ее наличии. В результате принятый кадр целиком считается некорректным. Это, в свою очередь, приводит к необходимости передать ошибочный кадр еще раз.

При работе он позволяет идентифицировать все устройства в сети и определить, какому именно из них предназначен тот или иной кадр данных. Распределением MAC-адресов занимается регулирующий комитет IEEE Registration Authority, именно сюда производитель сетевого устройства должен обращаться для выделения ему некоего диапазона адресов, которые он сможет использовать для своей продукции.

И на этой ноте заканчиваем вводную теоретическую часть по Ethernet, в дальнейшем приступим к практическому использованию в своих устройствах. До скорого!

Спецификации стандартов носят сокращенное название в виде аббревиатуры IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers). Они как раз и вносят стандарты в физические компоненты сети. В рамках статьи будут постоянно упоминаться спецификации класса IEEE 802. Именно они определяют принцип физического доступа адаптера к каналу связи и технологию передачи данных.

Второй уровень сетевой модели OSI стандарт IEEE 802 подразделяет на два подуровня:

Класс спецификаций IEEE 802 включает двенадцать стандартов. Рассмотрим только интересующие нас 802.2 и 802.3.

Стандарты IEEE 802.2 и IEEE 802.3

IEEE 802.2 обеспечивает интерфейс на канальном уровне между типами доступа к среде и сетевым уровнем.

IEEE 802.3 стандартизирует физические реализации для соответствующего уровня, а также управление доступом к устройствам, использующим шинную топологию и множественный доступ с выделением несущей и обнаружением коллизий.

История развития

Отличия и общее в сравнении с технологией Ethernet:

Метод с выделением несущей CSMA/CD, используемый в Ethernet, сохранен в технологии Fast Ethernet.
Формат кадра по-прежнему соответствует стандарту IEEE 802.3.
Звездообразная топология сетей сохранилась.
В качестве сред передачи данных используются традиционные витая пара и волоконно-оптический кабель.

Рассмотрим варианты реализации Fast Ethernet.

Здесь рассмотрены основные варианты реализации. В настоящее время существуют еще некоторые модификации.

Адаптеры для Fast Ethernet

Вообще, сетевые адаптеры или NIC (Network Interface Card) – это тип сетевого оборудования, обеспечивающего корректную работу по передаче и приему информации на физическом и канальном уровне.

Рассмотрим основные функции сетевых адаптеров и на примере самого популярного поставщика Realtek разберем особенности определенной модели.

Функции fast ethernet adapter:

Развязка с витой парой.
Непосредственно прием и передача данных.
Согласование скорости на входе в адаптер со скоростями обмена по сети (буферизация).
Разделение данных на блоки для передачи (или соединение их на приеме), оформление их в кадр определенного формата.
Способность распознавать и исправлять ошибки, которые получились в ходе коллизий при передаче.

Сетевые адаптеры могут различаться по нескольким параметрам. Например, используемая шина. Она может быть различной разрядности и типа. Нам интересна шина PCI Fast Ethernet. Она соответствует по разрядности и скорости рассматриваемой технологии.

Realtek

Изучим основные характеристики на примере модели RTL8139 810X fast ethernet. Этот адаптер является высокоинтегрированным одночиповым контроллером, причем достаточно экономичным. Поддерживает универсальную комбинацию приложений. Оснащен интерфейсом общего доступа шины PCI, обеспечивает максимальную безопасность сети и простоту управления.

Характеристики этого Realtek Fast Ethernet адаптера:

Однокристалльный контроллер для локальной шины PCI.
Поддерживает согласование скоростей 10 Мбит/с и 100 Мбит/с.
Поддерживает многофункциональные возможности PCI.
Совместимость с PCI Revision 2.2.
Обеспечивает передачу основных данных шины PCI и передачу данных пространства памяти PCI или пространства ввода/вывода операционных регистров RTL8139 810X.
Поддерживает режим обратной связи.
Возможность работы и в полудуплексном, и в дуплексном режиме.
Включает в себя программируемый размер пакета PCI и раннее пороговое значение Tx/Rx.
Поддерживает тактовую частоту PCI 16,75 МГц-40 МГц.
Совместим со стандартами PC99 и PC2001.
Поддержка светодиодных выводов для различных показателей активности сети.
Поддерживает автоматическое обнаружение вспомогательной мощности и устанавливает соответствующие возможности регистров управления питанием в пространстве конфигурации PCI.

В заключение

Читайте также: