Ethernet lmi ce что это

Обновлено: 03.07.2024

Днем рождения Ethernet считается 22 мая 1973 г. Именно тогда Роберт Меткалф и Дэвид Боггс опубликовали описание экспериментальной сети, построенной ими в Исследовательском центре Xerox. Базировалась она на толстом коаксиальном кабеле и обеспечивала скорость передачи данных 2,94 Мбит/с. Новая технология получила имя Ethernet (эфирная сеть), в честь радиосети Гавайского университета ALOHA, в которой был использован схожий механизм разделения среды передачи (радиоэфира).

К концу 70-х годов под Ethernet была подведена солидная теоретическая база. А в феврале 1980 года фирма Xerox, совместно с DEC и Intel, представила разработку IEEE, которая спустя три года утвердила ее в качестве стандарта IEEE 802.3.

Отличия промышленного Ethernet от обычного:

Стандарты на кабели и разъемы, удовлетворяющие специфическим требованиям промышленности: усиленное экранирование и стойкость к агрессивным средам;
Специальные стандарты и устройства для связи с подвижными объектами: гибкие кабели, устройства беспроводной связи;
Дополнение стека протоколов TCP/IP протоколом RFC1006 обеспечивает регулярную и частую передачу по сети небольших объемов информации, что характерно для обмена данными между промышленными контроллерами;
C помощью специальных коммутаторов можно организовать кольцевую топологию, которая при обрыве восстанавливает связь, то есть находит новый путь для передачи данных значительно быстрее, чем применяемый в обычных сетях «алгоритм избыточного дерева»;
Частое использование наряду со стеком протоколов TCP/IP специфического стека протоколов ISO Transport Protocol.

Основной причиной нарастающей популярности использования промышленного Ethernet-протокола является его повышенная скорость передачи данных (до 10 Гбит/с) в сравнении с протоколами RS-232 и RS-485, где это значение не превышает 10 Мбит/с. Также благодаря этому протоколу можно соединить множество устройств в одну сеть (возможность передачи данных по схеме peer-to-peer), что исключается в случае протоколов RS-232 и RS-485. Благодаря этим двум преимуществам можно получить значительное улучшение в производительности всей системы. Вдобавок, на рынке существует множество недорогих устройств, работающих на основе протокола Ethernet (роутеры, хабы, точки доступа, оптические провода и т.д.), тогда как стоимость и разнообразие устройств, работающих на основе серийных протоколов, оставляет желать лучшего.

В Ethernet-сетях непредсказуемые коллизии в процедуре CSMA/CD могут быть причиной того, что доставка пакета будет задержана, или пакет полностью исчезнет. По этой причине используют протоколы реального времени. Примером может служить стандарт IEEE 1588. Он определяет специальную процедуру «синхронизации часов».

Стандарт IEEE 1588 известен как «Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems» или, для краткости, «PTP». PTP определяет процедуру, позволяющую многим пространственно-распределенным часам реального времени синхронизироваться через сеть Ethernet. Технология, заложенная в стандарт, была первоначально разработана компанией Agilent и использовалась для распределенных измерений и контроля. Задача состояла в том, чтобы синхронизовать по времени сетевые измерительные устройства так, чтобы они могли записывать измеряемые значения с точным системным штампом времени. На основе этого штампа времени измеренные значения впоследствии могли быть соотнесены друг с другом.

Реализация Ethernet компанией STMicroelectronics

Типичная схема построения устройства с Ethernet-каналом представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Схема построения устройства с Ethernet-каналом

MCU/MPU- микроконтроллер с МАС (media access controller);
PHY- трансивер физического уровня;
Protection- защита Ethernet порта;
Transformer- изолирующий трансформатор;
PoE- микросхема подачи питания через Ethernet;
RJ45- разъем RJ45.

В статье мы попробуем выстроить эту схему, используя решения от компании STMicroelectronics, надежные в работе и, вместе с тем, более дешевые в закупке, чем изделия для Ethernet компаний Texas Instruments и Freescale.

Микроконтроллер с МАС

Для реализации Ethernet компания STMicroelectronics предлагает семейство контроллеров STM32F107 с Ethernet MAC-блоком, входящий в обширную линейку микроконтроллеров STM32, базирующееся на современном ядре ARM Cortex-M3. Модуль MAC обеспечивает адресацию и механизмы управления доступом к каналам, что позволяет нескольким терминалам или точкам доступа общаться между собой в многоточечной сети.

Микроконтроллеры реализованы на ядре ARM Cortex TM -M3, обладают развитыми системными ресурсами и имеют малое энергопотребление. Ядро ARM Cortex TM -M3 выполнено по Гарвардской архитектуре и имеет несколько шин, что позволяет распараллеливать операции обмена данными, тем самым достигая высокой производительности. Максимальная тактовая частота ядра микроконтроллеров STM32F107 составляет 72 МГц.

Микроконтроллеры STM32F107 имеют довольно широкий набор встроенной периферии: АЦП, датчик температуры, Ethernet, USART, I 2 C, SPI, CAN, USB, часы реального времени и многое другое. Также нельзя не отметить широкую программную поддержку семейства STM32 как компанией STMicroelectronics, так и сторонними производителями ПО. Например, это библиотека стандартной периферии, аудиобиблиотека, DSP-библиотека, библиотека управления двигателями, бесплатные TCP/IP стеки с руководством по использованию.

Для более эффективного использования ресурсов ядра микроконтроллера реализован 12 канальный контроллер прямого доступа к памяти (DMA), позволяющий осуществлять параллельный обмен данными между периферийными устройствами, не затрагивая ресурсов ядра.

Обобщенная функциональная схема микроконтроллера STM32F107 представлена на рисунке 2.

Рис. 2. Обобщенная структурная схема микроконтроллеров STM32F107

Ethernet модуль микроконтроллеров STM32F107 имеет достаточно широкий набор функций, вот лишь некоторые из них:

Соответствует стандарту IEEE802.3;
Осуществляет передачу данных на скоростях 10 и 100Мбит/c;
Поддержка протокола IEEE1588 на аппаратном уровне;
Поддерживает VLAN (виртуальная локальная сеть);
Поддерживает Half-duplex (CSMA/CD) и Full-duplex режимы;
Поддержка MAC control sublayer (подуровень управления доступом к среде).

Для упрощения процесса разработки Ethernet-приложений компания STMicroelectronics представила на сайте несколько рекомендаций по применению. Например, описано применение lwIP TCP/IP- и NicheLite TM TCP/IP-стеков. Также имеется подробное руководство по внутрисхемному программированию через Ethernet.

Трансивер физического уровня

Следующим важным звеном при реализации Ethernet-интерфейса является трансивер физического уровня (PHY). Устройство физического уровня обеспечивает кодирование данных, поступающих от MAC-подуровня для передачи их по транспортной среде, синхронизацию передаваемых данных, а также прием и декодирование данных. Трансиверы могут подключаться как к медному проводу, так и к оптическому кабелю.

Рис. 3. Трансивер ST802RT1A для работы с витой парой

Рис. 4. Трансивер ST802RT1B для работы с оптическим приемопередатчиком

Основные возможности трансивера ST802RT1:

Рассмотрим подробнее подключение трансивера к микроконтроллеру. Для связи MAC с устройством физического уровня используется один из трех интерфейсов: MII, RMII или SMII.

Интерфейс MII (рисунок 5) состоит из двух частей: собственно канала приема-передачи данных (MII) и служебного канала управления (MDIO и MDC). Все операции интерфейса MII выполняются в синхронном режиме.

Рис. 5. Структура интерфейса MII

Канал передачи данных MII содержит следующие сигналы:

MII_TXD (3..0)- группа параллельных сигналов данных, которые поступают в трансивер из MAC;
MII_TX_CLK- частота для тактирования передачи данных. Вырабатывается в трансивере и передается в МАС: 2,5МГц для операций 10Мбит/c, 25МГц для операций 100Мбит/c;
MII_TX_EN- разрешение передачи. MAC устанавливает этот сигнал, когда установлены достоверные данные на передачу;
MII_CRS- опрос несущей. В течение полудуплексной операции трансивер устанавливает этот вывод, когда передает или принимает пакеты данных. В течение дуплексной операции CRS устанавливается при приеме;
MII_COL- детектирование коллизии. Трансивер устанавливает этот вывод, когда обнаружено столкновение на линии. Этот вывод остается высоким во время столкновения на линии. Этот сигнал- асинхронный и неактивен в течение дуплексной операции;
MII_RXD (3..0)- группа параллельных сигналов данных, выдаются из трансивера в МАС-контроллер;
MII_RX_CLK- частота для тактирования приема данных. Вырабатывается в трансивере и передается в МАС: 2,5МГц для операций 10Мбит/c, 25МГц для операций 100Мбит/c;
MII_RX_DV- достоверность принятых данных. Трансивер устанавливает этот сигнал, когда он получает достоверный пакет данных и, соответственно, выдает достоверные данные на RXD;
MII_RX_ER- ошибка приема. Трансивер сообщает о том, что в приемном потоке данных произошла ошибка.

Служебный канал содержит следующие сигналы:

Наряду с программным конфигурированием, можно использовать аппаратное. Суть аппаратного конфигурирования заключается в том, что трансивер непосредственно после сброса считывает состояние нескольких выводов. Каждый из считываемых выводов отвечает за определенную функцию. Задание состояния вывода осуществляется его подтяжкой через резистор 2,2 кОм (такой номинал рекомендован производителем) на питание или ноль. Аппаратно можно задавать следующие функции:

Выбор MII/RMII интерфейса для связи с MAC-контроллером;
Задание скорости передачи: 10 или 100Мбит/c;
Задание режима: Half-duplex или Full-duplex;
Разрешение или запрещение Auto-negotiation;
Разрешение или запрещение Loop-back;
Задание адреса трансивера.

Интерфейс RMII имеет сокращенный набор сигналов и полностью совместим с IEEE 802.3u. Он позволяет работать в режимах 10 и 100 Мбит/c, имеет частоту синхронизации 50 МГц. Реализация представлена на рисунке 6.

Рис. 6. Структура интерфейса RMII

Компания STMicroelectronics предлагает разработчикам два отладочных набора на базе микроконтроллера STM32F107 и трансиверов серии ST802RT1.

Рис. 7. Отладочный набор STEVAL-PCC010V1

На первой плате расположен микроконтроллер STM32F107 c Ethernet MAC-блоком на борту. Имеется кнопка сброса микроконтроллера (Reset) , пара светодиодов (Led) и кнопка общего назначения (General purpose Button). На плате установлен стандартный 20-контактный разъем JTAG для отладки. Для тактирования микроконтроллера установлен кварцевый резонатор на 25 MГц. Питание осуществляется от USB через преобразователь 3,3 В LDO. Также на плате установлен дополнительный 20-контактный разъем для подключения к плате внешней периферии. На второй плате установлен трансивер ST802RT1A. Для тактирования микросхемы установлен кварцевый резонатор на 25 MГц. 12 перемычек позволяют аппаратно задавать начальную конфигурацию трансивера. Соединение двух плат осуществляется через 20-контактный разъем (MII/RMII connectors).

Рис. 8. Отладочный набор STEVAL-PCC011V1

Защита Ethernet-порта

Микросхема подачи питания через Ethernet

Данная технология предназначается для IP-телефонии, IP-камер, сетевых концентраторов и других устройств, к которым нежелательно или невозможно проводить отдельный электрический кабель.

Power-over-Ethernet стандартизирована по стандарту IEEE 802.3af. Существует несколько вариантов этой технологии, предшествующих данному стандарту, но они мало распространены.

Для подачи энергии используются, как правило, свободные витые пары 4/5 и 7/8. Предусмотрено и фантомное питание через передатчик по витым парам 1/2 и 3/6.

Компания STMicroelectronics предлагает несколько микросхем PoE (PM8800, PM8803). Остановимся подробнее на микросхеме PM8800 (рисунок 9).

Рис. 9. Структура PM8800

Основные возможности PM8800:

Поддерживает IEEE 802.3af;
Две схемы включения: с изоляцией по питанию и без изоляции;
Работает с двумя источниками питания: от Ethernet и от вспомогательного (локального);
Функция мягкого старта и другие функции защиты.

Подробное описание с примерами схем включения можно найти в техническом описании на микросхему.

Рис. 10. Демоплата PM8800 demonstration kit

Изолирующий трансформатор и разъем RJ45

Рекомендации по выбору изолирующего трансформатора и разъема RJ45 приведены в описании трансивера. Можно использовать разъем со встроенным изолирующим трансформатором. В случае использования оптической линии связи вместо трансформатора и разъема устанавливается оптический приемопередатчик.

Заключение

Компания STMicroelectronics предоставляет пользователям все необходимые аппаратные средства для реализации Ethernet-канала в своих разработках: высокопроизводительные и недорогие микроконтроллеры на базе ядра ARM Cortex TM -M3, трансиверы физического уровня, защитные диодные сборки, линии передачи и микросхемы PoE.

Это является основным конкурентным преимуществом, т.к. производитель уже проработал все вопросы сопряжения микросхем цепи Ethernet. Разработчик может пользоваться готовыми наработками компании STMicroelectronics и сэкономить свое время.

Также для ускорения и упрощения процесса разработки компания предлагает широкий выбор отладочных плат. На сайте можно найти большое количество рекомендаций по применению и примеров программного кода.

В заключение хочется отметить, что использование элементной базы одного производителя позволяет уменьшить общую стоимость изделия, поскольку «пакетные» закупки комплектующих всегда более выгодны в финансовом плане.

SUMMARY В данном разделе описывается контроль интерфейсов и функций коммутатора.

Отображение информации о интерфейсе в реальном времени

Введите команду для отображения трафика в реальном времени, ошибок, сигналов тревоги и фильтрации статистики по monitor interface физическому или логическому интерфейсу:

Замените interface-name имя физического или логического интерфейса. При указании параметра отображается статистика traffic по всем активным интерфейсам.

Статистика в реальном времени обновляется каждую секунду. В столбцах отображается количество, измененное счетчиками статистики с момента введенной команды или с момента очистки дельты счетчиков. И перечислите ключи, которые используются для управления дисплеем, используя параметры и Current delta Delta monitor interface Табл. 1Табл. 2 interface-name traffic параметры. (Ключи чувствительны к корпусу.)

Табл. 1: интерфейс командной строки контрольных ключей для выходных данных интерфейса

Очищает (возвращается к 0) счетчики дельты в Current delta столбце. Счетчики статистики не очищаются.

Зависает дисплей, останавливая обновление статистики и счетчиков разноналики.

Отображение информации о другом интерфейсе. Будет предложено в качестве имени определенного интерфейса.

Отображение информации о следующем интерфейсе. Устройство прокручивается через физические и логические интерфейсы в том же порядке, в котором они отображаются show interfaces terse командой.

Выход из команды и возврат к командной подсказке.

Повторное отображение, повторное обновление статистики и счетчиков дельты.

Табл. 2: интерфейс командной строки управления выходным трафиком интерфейса

Отображение статистики в единицах (бит/с) и в битах в секунду (бит/с).

Очищает (возвращается к 0) счетчики дельты в Delta столбце. Счетчики статистики не очищаются.

Отображение Delta столбца вместо столбца скорости в бит/с или в пакетах в секунду (pps).

Отображение статистики в единицах пакетов и пакетов в секунду (pps).

Выход из команды и возврат к командной подсказке.

Отображает столбец скорости (в бит/с и pps) вместо Delta столбца.

Ниже представлены примеры отображаемой monitor interface команды:

Поля выходных данных, отображаемые при вводе monitor interface interface-name команды, определяются интерфейсом, который указан вами.

Мониторинг коммутаторов Ethernet

Просмотр сведений о интерфейсе коммутатора Ethernet.

Действий

Выберите Monitor>Switching>Ethernet Switching в пользовательском интерфейсе J-Web или введите следующие интерфейс командной строки:

show ethernet-switching table

show ethernet-switching mac-learning-log

Табл. 3 суммирует выходные поля коммутаторов Ethernet.

Табл. 3: Сводка выходных данных коммутатора Ethernet

VLAN, для которой включена коммутаторизация Ethernet.

Ассоциа MAC-адрес VLAN. Если диапазон VLAN настроен для сети VLAN, в выходных данных будут показаны MAC-адреса для всей серии VLAN, созданных с этим именем.

Тип MAC-адрес. Значения:

static — MAC-адрес создается вручную.

learn — MAC-адрес источник пакета динамически MAC-адрес.

flood — MAC-адрес неизвестен и переполнился всем участникам.

Оставшееся время до истиной записи удаляется из таблицы коммутаторов Ethernet.

Интерфейс, связанный с заумными MAC-адресами или всеми участниками (запись flood).

Временная временная временная MAC-адрес была добавлена или удалена из журнала.

Указывает на MAC-адрес, который был заучатся на интерфейсе.

Интерфейсы мониторинга

Просмотр общей информации обо всех физических и логических интерфейсах устройства.

Действий

Для просмотра статуса интерфейса и статистики трафика интерфейс командной строки введите в интерфейс командной строки show следующие команды.

show interfaces terse

show interfaces extensive

show interfaces interface-name

Port — указывает имя интерфейса.

Admin Status (Статус администратора) — показывает, включен интерфейс (включен) или отключен (Отключен).

Link Status (Статус ссылки) — показывает, связан ли интерфейс (Вверх) или нет (Down).

Address (Адрес) — указывает IP-адрес интерфейса.

Zone – показывает, является ли зона недоверной или доверчивым зоной.

Протоколы — указывают протоколы, включенные на устройстве, например BGP и IGMP.

Input Rate graph – отображает использование полосы пропускания интерфейса. Вводимые данные показаны в bytes в секунду.

Output Rate graph – отображает использование полосы пропускания интерфейса. Выходные данные показываются в bytes в секунду.

Error Counters chart (Таблица счетчиков ошибок) — отображает счетчики входных и выходных ошибок в виде диаграммы на панели.

Таблица счетчиков пакетов отображает число счетчиков широковещательных, одноабных и многоабъестных пакетов в форме схемы с широковещательной передачей. (Графики счетчиков пакетов поддерживаются только для интерфейсов, поддерживаюных статистику MAC-пакетов.)

Для изменения отображения интерфейса используйте следующие параметры:

Port for FPC — управляет элементом, для которого отображается информация.

Кнопка Start/Stop (Остановить) — начинает или прекращает мониторинг выбранных интерфейсов.

Show Graph – отображает счетчики вводимых и выходных пакетов и счетчики ошибок в виде графиков.

Всплывающее окно — отображает графики интерфейса в отдельном всплывающее окно.

Details (Подробно) — отображает обширную статистику по выбранному интерфейсу, включая его общее состояние, информацию о трафике, IP-адрес, ошибки I/O, данные класса обслуживания и статистику.

обновление Interval(Интервал) — показывает период времени, в течение которого необходимо обновлять данные на странице.

В компьютерных сетях , кадр Ethernet является уровень линии передачи данных блока данных протокола и использует основные Ethernet физического уровня транспортных механизмы. Другими словами, блок данных по каналу Ethernet транспортирует кадр Ethernet в качестве полезной нагрузки.

Ethernet - кадр предшествует преамбулы и ограничителя начала кадра (SFD), которые являются одновременно частью Ethernet - пакета на физическом уровне . Каждый кадр Ethernet начинается с заголовка Ethernet, который содержит MAC-адреса назначения и источника в качестве первых двух полей. Средняя часть кадра - это данные полезной нагрузки, включая любые заголовки для других протоколов (например, Интернет-протокола ), переносимые в кадре. Кадр заканчивается проверочной последовательностью кадра (FCS), которая представляет собой 32-битную циклическую проверку избыточности, используемую для обнаружения любого повреждения данных при передаче.

СОДЕРЖАНИЕ

Состав

Пакет данных на проводе и кадр в качестве полезной нагрузки состоят из двоичных данных. Ethernet передает данные со старшим октетом (байтом) первым; однако в каждом октете младший бит передается первым.

Внутренняя структура кадра Ethernet определена в IEEE 802.3. В таблице ниже показан полный пакет Ethernet и фрейм внутри в том виде, в каком он был передан, для размера полезной нагрузки до MTU в 1500 октетов. Некоторые реализации Gigabit Ethernet и других высокоскоростных вариантов Ethernet поддерживают большие кадры, известные как jumbo-кадры .

Необязательный тег 802.1Q занимает дополнительное место в кадре. Размеры полей для этой опции указаны в скобках в таблице выше. IEEE 802.1ad (Q-in-Q) позволяет использовать несколько тегов в каждом кадре. Этот вариант здесь не проиллюстрирован.

Пакет Ethernet - физический уровень

Разделитель преамбулы и начального кадра

Кадр Ethernet внутри пакета Ethernet с SFD, обозначающим конец преамбулы пакета и указывающим начало кадра.

Пакет Ethernet начинается с семиоктетной преамбулы и однооктетного ограничителя начального кадра (SFD).

Преамбула состоит из 56-битного (семибайтового) шаблона с чередованием 1 и 0 битов, что позволяет устройствам в сети легко синхронизировать часы своих приемников, обеспечивая синхронизацию на уровне битов. За ним следует SFD, чтобы обеспечить синхронизацию на уровне байтов и пометить новый входящий фрейм. Для вариантов Ethernet, передающих последовательные биты вместо более крупных символов , (некодированный) битовый шаблон на проводе для преамбулы вместе с частью SFD кадра составляет 10101010 10101010 10101010 10101010 10101010 10101010 10101010 10101011; Биты передаются по порядку слева направо.

SFD - это восьмибитовое (однобайтное) значение, которое отмечает конец преамбулы, которая является первым полем пакета Ethernet, и указывает начало кадра Ethernet. SFD предназначен для разрыва битовой последовательности преамбулы и сигнализации о начале фактического кадра. Сразу за SFD следует MAC-адрес назначения , который является первым полем в кадре Ethernet. SFD - это двоичная последовательность 10101011 (0xD5, десятичное 213 в первом битовом порядке LSB Ethernet).

Схема приемопередатчика физического уровня (сокращенно PHY) требуется для подключения Ethernet MAC к физической среде. Соединение между PHY и MAC не зависит от физической среды и использует шину из средств массовой информации независимого интерфейс семья ( MII , GMII , RGMII , SGMII , XGMII ). Микросхемы приемопередатчиков Fast Ethernet используют шину MII, которая является четырехбитовой (один полубайт ) шиной, поэтому преамбула представлена как 14 экземпляров 0xA, а SFD - 0xA 0xB (в полубайтах). Микросхемы приемопередатчиков Gigabit Ethernet используют шину GMII, которая представляет собой восьмиразрядный интерфейс, поэтому последовательность преамбулы, за которой следует SFD, будет иметь вид 0x55 0x55 0x55 0x55 0x55 0x55 0x55 0xD5 (в байтах).

Кадр - уровень канала передачи данных

Заголовок

Заголовок содержит MAC-адреса назначения и источника (каждый длиной по шесть октетов), поле EtherType и, необязательно, тег IEEE 802.1Q или тег IEEE 802.1ad .

Поле EtherType имеет длину два октета и может использоваться для двух разных целей. Значения 1500 и ниже означают, что он используется для указания размера полезной нагрузки в октетах, а значения 1536 и выше указывают, что он используется как EtherType, чтобы указать, какой протокол инкапсулирован в полезной нагрузке кадра. При использовании в качестве EtherType длина кадра определяется местоположением межпакетного промежутка и действительной контрольной последовательностью кадра (FCS).

IEEE 802.1Q тег или IEEE 802.1ad тега, если он присутствует, представляет собой поле из четырех октетов , что указывает на то виртуальной локальной сети (VLAN) членство и IEEE 802.1p приоритет. Первые два октета тега называется Т аги Р rotocol ID entifier (TPID) и дважды как поле EtherType , указывающим , что кадр является либо 802.1Q или 802.1ad тегов. 802.1Q использует TPID 0x8100. 802.1ad использует TPID 0x88a8.

Полезная нагрузка

Минимальная полезная нагрузка составляет 42 октета при наличии тега 802.1Q и 46 октетов при отсутствии. Когда фактическая полезная нагрузка меньше, соответственно добавляются байты заполнения. Максимальная полезная нагрузка - 1500 октетов. Нестандартные кадры большого размера позволяют увеличить максимальный размер полезной нагрузки.

Последовательность проверки кадра

Последовательность проверки кадра (FCS) - это четырехоктетная проверка циклическим избыточным кодом (CRC), которая позволяет обнаруживать поврежденные данные во всем кадре, принятом на стороне получателя. Согласно стандарту значение FCS вычисляется как функция защищенных полей кадра MAC: адреса источника и назначения, поля длины / типа, данных клиента MAC и заполнения (то есть всех полей, кроме FCS).

Согласно стандарту, это вычисление выполняется с использованием алгоритма CRC32 BZIP2 со сдвигом влево (poly = 0x4C11DB7, начальный CRC = 0xFFFFFFFF, CRC дополняется после, значение проверки = 0x38FB2284). Стандарт гласит, что данные передаются первым младшим значащим битом (бит 0), тогда как FCS передается первым старшим значащим битом (бит 31). Альтернативой является вычисление CRC с использованием CRC32 со сдвигом вправо (poly = 0xEDB88320, начальный CRC = 0xFFFFFFFF, CRC дополняется пост-дополнением, значение проверки = 0x2144DF1C), что приведет к CRC, который является инверсией битов FCS, и передать сначала данные и младший бит CRC, что приводит к идентичным передачам.

Стандарт гласит, что получатель должен вычислять новую FCS по мере получения данных, а затем сравнивать полученную FCS с FCS, вычисленным получателем. Альтернативой является вычисление CRC как для полученных данных, так и для FCS, что приведет к фиксированному ненулевому значению «проверки». (Результат не равен нулю, потому что CRC дополняется во время генерации CRC). Поскольку данные принимаются первым из младших битов, и чтобы избежать необходимости буферизовать октеты данных, приемник обычно использует CRC32 со сдвигом вправо. Это делает значение «проверки» (иногда называемое «магической проверкой») 0x2144DF1C.

Однако аппаратная реализация CRC с логическим сдвигом вправо может использовать регистр сдвига с линейной обратной связью со сдвигом влево в качестве основы для вычисления CRC, реверсирования битов и получения значения проверки 0x38FB2284. Поскольку дополнение CRC может выполняться после вычисления и во время передачи, то, что остается в аппаратном регистре, является результатом без дополнений, поэтому остаток для реализации с правым сдвигом будет дополнением к 0x2144DF1C = 0xDEBB20E3, а для сдвига влево реализация, дополнение 0x38FB2284 = 0xC704DD7B.

Конец кадра - физический уровень

Конец кадра обычно обозначается символом конца из-потока данных на физическом уровне или по потере сигнала несущей; примером является 10BASE-T , где принимающая станция определяет конец переданного кадра по потере несущей. Более поздние физические уровни используют явный конец данных или конец символа или последовательности потока , чтобы избежать неоднозначности, особенно когда несущая постоянно пересылается между кадрами; примером является Gigabit Ethernet с его схемой кодирования 8b / 10b , в которой используются специальные символы, которые передаются до и после передачи кадра.

Межпакетный разрыв - физический уровень

Межпакетный интервал (IPG) - это время простоя между пакетами. После отправки пакета передатчики должны передать как минимум 96 бит (12 октетов) состояния незанятой линии перед передачей следующего пакета.

Дифференциация кадров Ethernet

Тип кадра	Ethertype или длина	Начало полезной нагрузки два байта
Ethernet II	≥ 1536	Любой
Novell raw IEEE 802.3	≤ 1500	0xFFFF
IEEE 802.2 LLC	≤ 1500	Другой
IEEE 802.2 SNAP	≤ 1500	0xAAAA

Есть несколько типов кадров Ethernet:

Фрейм Ethernet II, или Ethernet версии 2, или фрейм DIX является наиболее распространенным типом, используемым сегодня, поскольку он часто используется непосредственно Интернет-протоколом.
Необработанный нестандартный вариант кадра NovellIEEE 802.3
Кадр IEEE 802.2Logical Link Control (LLC)
Кадрпротокола доступа к подсети (SNAP) IEEE 802.2

Различные типы кадров имеют разные форматы и значения MTU , но могут сосуществовать на одном физическом носителе. Различие между типами кадров возможно на основании таблицы справа.

Кроме того, все четыре типа кадров Ethernet могут дополнительно содержать тег IEEE 802.1Q для определения того, к какой VLAN он принадлежит, и его приоритета ( качества обслуживания ). Эта инкапсуляция определена в спецификации IEEE 802.3ac и увеличивает максимальный кадр на 4 октета.

Тег IEEE 802.1Q, если он присутствует, помещается между полями Source Address и EtherType или Length. Первые два октета тега - это значение идентификатора протокола тега (TPID) 0x8100. Он расположен в том же месте, что и поле EtherType / Length в немаркированных кадрах, поэтому значение EtherType 0x8100 означает, что кадр помечен, а истинный EtherType / Length находится после Q-тега. За TPID следуют два октета, содержащие информацию управления тегами (TCI) (приоритет IEEE 802.1p ( качество обслуживания ) и идентификатор VLAN). За Q-тегом следует остальная часть кадра, используя один из типов, описанных выше.

Ethernet II

Фрейминг Ethernet II (также известный как DIX Ethernet , названный в честь DEC , Intel и Xerox , основных участников его разработки), определяет двухоктетное поле EtherType в кадре Ethernet , которому предшествуют MAC-адреса назначения и источника, которые идентифицируют верхний протокол уровня, инкапсулированный данными кадра. Например, значение 0x0800 EtherType сигнализирует, что фрейм содержит дейтаграмму IPv4 . Аналогично, EtherType 0x0806 указывает кадр ARP , 0x86DD указывает кадр IPv6, а 0x8100 указывает наличие тега IEEE 802.1Q (как описано выше).

Наиболее распространенный формат кадра Ethernet, тип II

Поскольку этот промышленно разработанный стандарт прошел формальный процесс стандартизации IEEE , поле EtherType было изменено на поле длины (данных) в новом стандарте 802.3. Поскольку получателю все еще необходимо знать, как интерпретировать кадр, стандарт требовал, чтобы заголовок IEEE 802.2 соответствовал длине и указывал тип. Много лет спустя стандарт 802.3x-1997 и более поздние версии стандарта 802.3 официально одобрили оба типа кадрирования. Фрейминг Ethernet II является наиболее распространенным в локальных сетях Ethernet из-за его простоты и меньших накладных расходов.

Чтобы разрешить использование некоторых кадров, использующих кадрирование Ethernet v2, и некоторых, использующих исходную версию формирования кадров 802.3, в одном и том же сегменте Ethernet, значения EtherType должны быть больше или равны 1536 (0x0600). Это значение было выбрано, потому что максимальная длина поля полезной нагрузки кадра Ethernet 802.3 составляет 1500 октетов (0x05DC). Таким образом, если значение поля больше или равно 1536, кадр должен быть кадром Ethernet v2, причем это поле является полем типа. Если оно меньше или равно 1500, это должен быть кадр IEEE 802.3, где это поле является полем длины. Исключительные значения от 1500 до 1536 не определены. Это соглашение позволяет программному обеспечению определять, является ли кадр кадром Ethernet II или кадром IEEE 802.3, обеспечивая сосуществование обоих стандартов на одном физическом носителе.

Novell raw IEEE 802.3

"Необработанный" формат кадра 802.3 от Novell был основан на ранней работе IEEE 802.3. Novell использовала это как отправную точку для создания первой реализации собственного сетевого протокола IPX через Ethernet. Они не использовали заголовок LLC, а начали пакет IPX сразу после поля длины. Это не соответствует стандарту IEEE 802.3, но поскольку IPX всегда имеет FF в качестве первых двух октетов (в то время как в IEEE 802.2 LLC этот шаблон теоретически возможен, но крайне маловероятен), на практике это обычно сосуществует на проводе с другими реализациями Ethernet, за заметным исключением некоторых ранних форм DECnet, которые это сбивали с толку.

Novell NetWare по умолчанию использовала этот тип кадра до середины девяностых годов, и поскольку NetWare тогда была очень широко распространена, а IP - нет, в какой-то момент большая часть мирового трафика Ethernet проходила через «чистый» 802.3, несущий IPX. Начиная с NetWare 4.10, NetWare по умолчанию использует IEEE 802.2 с LLC (тип кадра NetWare Ethernet_802.2) при использовании IPX.

IEEE 802.2 LLC

Некоторые протоколы, например, разработанные для стека OSI , работают непосредственно поверх инкапсуляции IEEE 802.2 LLC, которая обеспечивает как сетевые службы с установлением соединения, так и без установления соединения.

Инкапсуляция IEEE 802.2 LLC в настоящее время не широко используется в обычных сетях, за исключением крупных корпоративных установок NetWare, которые еще не перешли на NetWare через IP . В прошлом многие корпоративные сети использовали IEEE 802.2 для поддержки прозрачных мостов трансляции между сетями Ethernet и Token Ring или FDDI .

Существует Интернет-стандарт для инкапсуляции трафика IPv4 в кадры SAP / SNAP IEEE 802.2 LLC. Он почти никогда не реализуется в Ethernet, хотя используется в FDDI, Token Ring, IEEE 802.11 (за исключением диапазона 5,9 ГГц , где используется EtherType) и других локальных сетях IEEE 802 . IPv6 также может передаваться через Ethernet с использованием IEEE 802.2 LLC SAP / SNAP, но, опять же, это почти никогда не используется.

IEEE 802.2 SNAP

Изучив заголовок 802.2 LLC, можно определить, следует ли за ним заголовок SNAP. Заголовок LLC включает два восьмибитовых адресных поля, которые в терминологии OSI называются точками доступа к услугам (SAP); когда и исходный, и целевой SAP имеют значение 0xAA, за заголовком LLC следует заголовок SNAP. Заголовок SNAP позволяет использовать значения EtherType со всеми протоколами IEEE 802, а также поддерживает пространства идентификаторов частных протоколов.

В IEEE 802.3x-1997 стандарт IEEE Ethernet был изменен, чтобы явно разрешить использование 16-битного поля после MAC-адресов в качестве поля длины или поля типа.

Набор протоколов AppleTalk v2 в сети Ethernet (« EtherTalk ») использует инкапсуляцию IEEE 802.2 LLC + SNAP.

Максимальная пропускная способность

Мы можем рассчитать накладные расходы протокола для Ethernet в процентах (размер пакета, включая IPG).

Мы можем рассчитать эффективность протокола для Ethernet

Максимальная эффективность достигается при максимально допустимом размере полезной нагрузки и составляет:

для немаркированных кадров, поскольку размер пакета составляет максимум 1500 октетов полезной нагрузки + 8 октетов преамбулы + 14 октетов заголовка + 4 октета завершающей части + минимальный межпакетный интервал, соответствующий 12 октетам = 1538 октетов. Максимальный КПД составляет:

когда используется тегирование 802.1Q VLAN.

Пропускная способность может быть вычислена по эффективности

где чистая скорость передачи данных физического уровня ( скорость передачи данных по проводам) зависит от стандарта физического уровня Ethernet и может составлять 10 Мбит / с, 100 Мбит / с, 1 Гбит / с или 10 Гбит / с. Следовательно, максимальная пропускная способность для 100BASE-TX Ethernet составляет 97,53 Мбит / с без 802.1Q и 97,28 Мбит / с с 802.1Q.

Использование канала - это понятие, которое часто путают с эффективностью протокола. Он учитывает только использование канала, не обращая внимания на характер передаваемых данных - полезную нагрузку или служебные данные. На физическом уровне канал связи и оборудование не знают разницы между кадрами данных и управления. Мы можем рассчитать использование канала :

Общее время учитывает время приема-передачи по каналу, время обработки на хостах и время передачи данных и подтверждений. Время, потраченное на передачу данных, включает данные и подтверждения.

Бегущие кадры

Короткий кадр - это кадр Ethernet, длина которого меньше минимальной длины в 64 октета согласно стандарту IEEE 802.3. Ошибочные кадры чаще всего вызываются коллизиями ; другие возможные причины - неисправная сетевая карта , опустошение буфера , несоответствие дуплексного режима или проблемы с программным обеспечением.

Технологии

Хотя вы, возможно, привыкли подключаться к интернету с помощью Wi-Fi, это не единственный способ предоставить своему компьютеру доступ в интернет. Существует также Ethernet, альтернатива, которая требует фактического подключения к сети.

Ethernet — это технология, которая используется для подключения устройств в локальной сети (LAN) или глобальной сети (WAN). В этой статье мы собираемся обсудить основы Ethernet, то, как он работает, и углубимся в назначение кабеля.

Что такое локальная сеть

Ethernet обычно используется в сетях LAN. Это тип сети, в которой группа компьютеров совместно использует проводное или беспроводное соединение с сервером в определённой области. ЛВС может состоять из нескольких компьютеров в вашем доме или сотен компьютеров в главном офисе компании.

Дома вы будете использовать локальную сеть для подключения друг к другу различных интернет-устройств. Ваш принтер, например, будет подключён к вашему компьютеру через локальную сеть. Локальная сеть действует как мост между вашими устройствами, так что вы можете получить к ним доступ через свою сеть.

Что такое Ethernet

Ethernet — это протокол, который позволяет сетевым устройствам отправлять и получать данные другим устройствам в той же сети.

Он обычно используется в сетях, где местоположение является фактором. Вот почему он стал таким важным в сетях LAN: этот тип сети имеет географические ограничения. Сеть LAN находится в одном месте, будь то библиотека, офис или ваш дом.

Возможно, вы слышали в играх термин «вечеринка по локальной сети». Когда вы настраиваете компьютеры для работы в локальной сети, все они подключаются к одной сети через Ethernet. Это позволяет вам играть на локальном сервере, доступ к которому есть только у вас, потому что все подключены друг к другу.

Почему используется Ethernet

Подключение к сети Ethernet используется потому, что оно менее уязвимо для сбоев. Беспроводные технологии подвержены проблемам с подключением, особенно когда устройства начинают удаляться от маршрутизатора, к которому они подключены. Он предлагает более стабильное соединение, потому что существует физическая связь между компьютером и беспроводной сетью.

Более того, он более безопасен, чем беспроводные технологии. Большинство беспроводных подключений к интернету безопасны, но есть способы ими управлять. Соединения должны быть выполнены с помощью кабелей, а это означает, что злоумышленнику потребуется физический доступ к кабелю, чтобы получить доступ к данным, хранящимся в сети.

Он смог обеспечить стабильно высокий уровень производительности. Первоначально он мог передавать 10 мегабит в секунду. Только за 90-е это число увеличилось в 10 раз. Сегодня соединения могут поддерживать соединения со скоростью в несколько десятков гигабит в секунду. Вы часто будете слышать, как сейчас люди говорят о «гигабитном Ethernet» по этой причине, который является очень быстрым Ethernet-соединением.

Это преимущество в производительности было даже более значительным, учитывая относительно низкую стоимость. В зависимости от приобретаемых вами кабелей стоимость настройки Ethernet в сети может быть очень низкой. Если учесть сумму, которую компании взимают за беспроводные инструменты, становится ясно, что во многих случаях он является более доступным вариантом.

Каковы ограничения

Это ещё не все навороты: у него есть несколько недостатков.

Главный недостаток заключается в том, что он предназначен для сетей с устройствами, подключёнными на небольшом расстоянии. Для компании было бы непрактично использовать его для подключения устройств, которые находятся далеко за пределами их офисов, например, на парковке, потому что вам нужно будет проложить физический кабель к устройствам, которые вы хотите подключить к сети.

Скорость соединения Ethernet зависит от того, сколько трафика проходит по сети. Многие люди, использующие одну и ту же сеть одновременно, могут снизить скорость.

Ethernet против Wi-Fi

Нельзя отрицать, что Wi-Fi — самый популярный способ подключения устройств к интернету. Это неудивительно, потому что кабели Ethernet довольно громоздки.

Если ваш телефон должен быть подключён к интернету с помощью кабеля Ethernet, он должен быть толщиной примерно 10 сантиметров, по крайней мере, для поддержки соединения.

Основное различие между Ethernet и Wi-Fi заключается в том, что данные Ethernet передаются через физический кабель, тогда как соединения Wi-Fi передают данные через беспроводные сигналы. Основное преимущество Wi-Fi через Ethernet заключается в том, что он обеспечивает хорошую мобильность; вы можете перемещаться куда угодно на определённом расстоянии, не таща за собой кабель.

Соединения обеспечивают большую скорость и надёжность, чем соединение Wi-Fi. В то время как соединение Wi-Fi может быть легко потеряно — и требуется время для восстановления, — кабели Ethernet более надёжны, потому что вы подключены непосредственно к сети. Соединения Wi-Fi также подвержены помехам, что может снизить их надёжность.

Что такое кабель Ethernet

Ethernet не работал бы без кабелей. Это проводная технология! Кабель Ethernet — это особый тип компьютерного сетевого кабеля, который соединяет сетевые устройства с сетью. Чаще всего вы обнаружите, что кабель подключён к маршрутизатору, модему или сетевому коммутатору через порт.

Кабели Ethernet напоминают телефонный кабель. Если вы сравните их бок о бок, вы заметите их сходство.

Кабели имеют восемь проводов, а телефонные кабели — только четыре. В результате кабели больше. Кроме того, кабели могут быть разных цветов, а телефонные кабели обычно белого или серого цвета.

Сегодня используются два основных типа кабелей: категории 5 и категории 6.

Кабели категории 5 или CAT5 могут поддерживать скорость до 100 мегабит в секунду. Эти кабели нельзя использовать для передачи данных на расстоянии более 328 футов.

Кабели категории 6 или CAT6 представляют собой шестое поколение. Этот кабель способен поддерживать скорость передачи данных около 1 гигабит в секунду. Кабели CAT6, однако, могут передавать данные только на расстояние около 164 футов.

Вывод

Ethernet — это сетевая технология, которая соединяет устройства в локальной или глобальной сети. Он может появиться в самых разных местах, от домов до корпоративных офисов и больниц. Где в одной сети есть несколько устройств, которые хотят общаться друг с другом.

Он обеспечивает надёжное и стабильное соединение, в отличие от беспроводной технологии. Которая подвержена помехам и может быть нестабильной в зависимости от вашего расстояния до маршрутизатора. Однако, чтобы использовать Ethernet, вам необходимо подключить к устройству кабель. Сегодня это непрактично для многих современных устройств, поддерживающих только беспроводную технологию.

Читайте также: