Физический уровень ethernet включает в себя только 3 варианта
Обновлено: 05.07.2024
Поскольку устройства Ethernet работают только на двух нижних уровнях стека протоколов OSI, они обычно реализуются как платы сетевого интерфейса (Network Interface Card — NIC), устанавливаемые на материнской плате компьютера. Платы NIC идентифицируются именем, состоящим из трех частей и основанному на атрибутах физического уровня.
Имя состоит из трех частей, указывающих скорость и метод передачи, а также типы среды и кодирования сигнала, например:
• lOBaseT — 10 Мбит/с, смодулированная передача по двум кабелям витой пары;
• 100BaseT2 — 100 Мбит/с, смодулированная передача по двум кабелям витой пары;
• 100BaseT4 — 100 Мбит/с, смодулированная передача по четырем кабелям витой пары;
• 1000BaseLX — 100 Мбит/с, смодулированная низкочастотная передача по оптоволоконному кабелю.
Иногда возникает вопрос о том, почему в обозначении всегда присутствует слово "Base". Первые версии протокола допускали также широкополосную передачу (например lOBroad), но они не имели успеха на рынке. Все современные реализации Ethernet предусматривают немодулированную передачу.
Кодирование передаваемого сигнала
При смодулированной передаче информация фрейма передается прямо по каналу связи в виде последовательности импульсов, которые обычно ослабляются (уменьшается амплитуда) и искажаются (изменяют форму), прежде чем достигают другого конца линии. Задача получателя заключается в том, чтобы распознать каждый поступающий импульс и правильно определить его значение, перед тем как передать восстановленную информацию принимающему МАС-устройству.
Хотя для восстановления размера и формы полученного сигнала применяются фильтры и цепи формирования импульсов, однако для того, чтобы обеспечить правильную выборку полученных сигналов в соответствии с периодом импульсов и с той же скоростью, с какой они передаются, требуются описанные ниже дополнительные меры.
• Синхросигнал получателя должен быть восстановлен на основе входного потока данных, для того чтобы принимающий физический уровень мог синхронизироваться с входными импульсами.
• Необходимо принять меры по компенсации эффекта передачи, известного как блуждание базовой линии.
Восстановление синхросигнала требует анализа переходов уровня во входном сигнале идентификации и синхронизации границ импульсов. Чередующиеся единицы и нули заголовка фрейма не только сообщают о поступлении фрейма, но и помогают восстановить синхросигнал. Однако восстановленные синхросигналы могут смещаться и терять синхронизацию, если уровень импульсов не изменяется и переходы обнаружить не удается (например, при передаче длинной цепочки нулей).
Блуждание базовой линии является следствием того, что каналы Ethernet связаны по переменному току с трансиверами и эта связь может обеспечить стабильный уровень напряжения только на короткое время. В результате переданные импульсы искажаются, появляются спады наподобие тех, которые (в увеличенном масштабе) показаны на рис. 8.12. В длинных цепочках единиц или нулей спад может быть настолько сильным, что уровень напряжения превышает пороговый, приводя к ошибочному распознаванию искаженных импульсов.
Рис. 8.12. Схематический пример блуждания базовой линии
К счастью, кодирование выходного сигнала перед передачей может существенно ослабить влияние этих неблагоприятных факторов, а также снизить вероятность ошибок при передаче. В первых версиях Ethernet, в том числе в версии lOBaseT, использовался т.н. манчестерский код (рис. 8.13), где каждый импульс явно идентифицировался по направлениям перехода среднего импульса, а не выбранным значениям уровня.
Рис. 8.13. Манчестерское двоичное кодирование, основанное на направлении перехода
Однако при манчестерском кодировании возникает ряд сложных проблем, связанных с частотой, что делает его непригодным для более высоких скоростей передачи данных. В версиях Ethernet после lOBaseT используются иные процедуры кодирования, основанные на некоторых или на всех из перечисленных ниже методов.
• Перестановка данных. Упорядоченная (и обратимая) перестановка битов в каждом байте. Некоторые нули заменяются единицами, а единицы — нулями, при этом другие биты не изменяются. В результате уменьшается длина серий одинаковых битов, увеличивается плотность передачи и упрощается восстановление синхронизации.
• Расширение кодового пространства. Методика, которая позволяет назначать символам данных и символам управления различные коды (такие, как признаки начала и конца потока, биты расширения и т.п.), что помогает обнаруживать ошибки передачи.
В версии 1000BaseT коды прямого исправления позволяют значительно снизить частоту битовых ошибок. Обработка ошибок в протоколе Ethernet ограничивается обнаружением битовых ошибок в полученном фрейме. Восстановление фреймов, полученных с неисправленными ошибками, или отсутствующих фреймов производится на более высоких уровнях используемого стека протоколов.
Ethernet – технология локальных сетей, отвечающая за передачу данных по кабелю, доступную для устройств компьютерных и промышленных сетей. Данная технология располагается на канальном (подуровни LLC и MAC) и физическом уровнях модели OSI.
По скорости передачи данных существуют такие технологии:
- Ethernet – 10 Мб/с
- Fast Ethernet – 100 Мб/с
- Gigabit Ethernet – 1 Гб/с
- 10G Ethernet – 10 Гб/с
Современное оборудование позволяет достигать скорости в 40 Гб/с и 100 Гб/с: такие технологии получили название 40GbE и 100GbE соответственно.
Также стоит выделить классический и коммутируемый Ethernet. Первый изначально использовал разделяемую среду в виде коаксиального кабеля, который позже был вытеснен концентраторами (hub). Основные недостатки – низкая безопасность и плохая масштабируемость (искажение данных при одновременной передаче 2-мя и более компьютерами, также известное как "коллизия").
Коммутируемый Ethernet является более новой и усовершенствованной технологией, которая используется по сей день. Чтобы устранить недостатки предыдущей версии, разделяемую среду исключили и использовали соединение точка-точка. Это стало возможным благодаря новым устройствам под названием "коммутаторы" (switch).
Классическая технология Ethernet давно и успешно заменена новыми технологиями, но некоторые нюансы работы сохранились. Рассмотрим классическую версию.
Физический уровень включает в себя 3 варианта работы Ethernet, которые зависят от сред передачи данных. Это:
- коаксиальный кабель
- витая пара
- оптоволокно
Канальный, в свою очередь, включил методы доступа, а также протоколы, что ничем не отличаются для различных сред передачи данных. Подуровни LLC и MAC в классической технологии присутствуют вместе.
MAC-адреса позволяют идентифицировать устройства, подключенные к сети Ethernet, и идентичных при этом быть не должно, в противном случае из нескольких устройств с одинаковыми адресами будет работать только одно.
По типам MAC-адреса разделяются на:
- Индивидуальные (для отдельных компьютеров).
- Групповые (для нескольких компьютеров).
- Широковещательные (для всех компьютеров сети).
Адреса могут назначаться как производителем оборудования (централизованно), так и администратором сети (локально).
Технология Ethernet и формат кадра:
Также не стоит забывать о коллизиях. Если сигнал, который принят, отличается от переданного, это означает, что произошла коллизия.
Технология CSMA/CD разработана с учетом возникновения коллизий и предполагает их контроль. Модель CSMA/CD выглядит следующим образом:
Классический Ethernet плох тем, что становится неработоспособным при нагрузке более чем 30%.
На сегодняшний день это наиболее оптимальная альтернатива, которая полностью исключает возможность появления коллизий и связанных с ними проблем.
Суть коммутируемого Ethernet в том, что вместо хаба используется свич (коммутатор) – устройство, которое работает на канальном уровне и обладает полносвязной топологией, что обеспечивает соединение всех портов друг с другом напрямую по технологии точка-точка.
Таблицы коммутации есть в каждом таком устройстве. Они описывают, какие компьютеры к какому порту свича подключены. Чтобы узнать MAC-адреса, используется алгоритм обратного обучения, а для передачи данных – алгоритм прозрачного моста.
Простейшая таблица коммутации:
Алгоритм обратного обучения работает таким образом: коммутатор принимает кадры, анализирует заголовок и извлекает из него адрес отправителя. Таким образом, к определенному порту подключен компьютер с конкретным MAC-адресом.
Прозрачный мост не требует настройки и так назван за счет того, что он не заметен для сетевых устройств (у него нет своего MAC-адреса). Коммутатор принимает кадр, анализирует заголовок, извлекает из него адрес получателя и сопоставляет его с таблицей коммутации, определяя порт, к которому подключено устройство. Таким образом, кадр передается на конкретный порт получателя, а не на все порты, как в случае с концентратором. Если же адрес не найден в таблице, коммутатор работает так же, как и хаб.
Технология Ethernet претерпела немало изменений с момента своего появления. Сегодня она способна обеспечить высокоскоростное соединение, лишенное коллизий и не ограниченное небольшой нагрузкой сети, как это было в случае с классическим Ethernet.
В современных локальных сетях используются коммутаторы, которые по своей функциональности значительно эффективнее концентраторов. Больше нет разделяемой среды и связанных с ней коллизий, затрудняющих работу с сетью. Свичи анализируют заголовки и передают кадры только конечному получателю по принципу точка-точка. Способны "изучать" сеть благодаря таблице коммутации и алгоритму обратного обучения.
Плюсами коммутируемого Ethernet являются масштабируемость, высокая производительность и безопасность.
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!
Кто-то считает, что это очевидные вещи, другие скажут, что скучная и ненужная теория. Тем не менее на собеседованиях периодически можно услышать подобные вопросы. Мое мнение: о том, о чем ниже пойдет речь, нужно знать всем, кому приходится брать в руки «обжимку» 8P8C (этот разъем обычно ошибочно называют RJ-45). На академическую глубину не претендую, воздержусь от формул и таблиц, так же за бортом оставим линейное кодирование. Речь пойдет в основном о медных проводах, не об оптике, т.к. они шире распространены в быту.
Технология Ethernet описывает сразу два нижних уровня модели OSI. Физический и канальный. Дальше будем говорить только о физическом, т.е. о том, как передаются биты между двумя соседними устройствами.
Технология Ethernet — часть богатого наследия исследовательского центра Xerox PARC. Ранние версии Ethernet использовали в качестве среды передачи коаксиальный кабель, но со временем он был полностью вытеснен оптоволокном и витой парой. Однако важно понимать, что применение коаксиального кабеля во многом определило принципы работы Ethernet. Дело в том, что коаксиальный кабель — разделяемая среда передачи. Важная особенность разделяемой среды: ее могут использовать одновременно несколько интерфейсов, но передавать в каждый момент времени должен только один. С помощью коаксиального кабеля можно соединит не только 2 компьютера между собой, но и более двух, без применения активного оборудования. Такая топология называется шина. Однако если хотябы два узла на одной шине начнут одновременно передавать информацию, то их сигналы наложатся друг на друга и приемники других узлов ничего не разберут. Такая ситуация называется коллизией, а часть сети, узлы в которой конкурируют за общую среду передачи — доменом коллизий. Для того чтоб распознать коллизию, передающий узел постоянно наблюдает за сигналов в среде и если собственный передаваемый сигнал отличается от наблюдаемого — фиксируется коллизия. В этом случае все узлы перестают передавать и возобновляют передачу через случайный промежуток времени.
Диаметр коллизионного домена и минимальный размер кадра
Таким образом чем больше потенциальный размер сегмента сети, тем больше накладных расходов уходит на передачу порций данных маленького размера. Разработчикам технологии Ethernet пришлось искать золотую середину между двумя этими параметрами, и минимальным размером кадра была установлена величина 64 байта.
Витая пара и дуплексный режим рабты
Витая пара в качестве среды передачи отличается от коаксиального кабеля тем, что может соединять только два узла и использует разделенные среды для передачи информации в разных направлениях. Одна пара используется для передачи (1,2 контакты, как правило оранжевый и бело-оранжевый провода) и одна пара для приема (3,6 контакты, как правило зеленый и бело-зеленый провода). На активном сетевом оборудовании наоборот. Не трудно заметить, что пропущена центральная пара контактов: 4, 5. Эту пару специально оставили свободной, если в ту же розетку вставить RJ11, то он займет как раз свободные контакты. Таким образом можно использовать один кабели и одну розетку, для LAN и, например, телефона. Пары в кабеле выбраны таким образом, чтоб свести к минимуму взаимное влияние сигналов друг на друга и улучшить качество связи. Провода одной пару свиты между собой для того, чтоб влияние внешних помех на оба провода в паре было примерно одинаковым.
Для соединения двух однотипных устройств, к примеру двух компьютеров, используется так называемый кроссовер-кабель(crossover), в котором одна пара соединяет контакты 1,2 одной стороны и 3,6 другой, а вторая наоборот: 3,6 контакты одной стороны и 1,2 другой. Это нужно для того, чтоб соединить приемник с передатчиком, если использовать прямой кабель, то получится приемник-приемник, передатчик-передатчик. Хотя сейчас это имеет значение только если работать с каким-то архаичным оборудованием, т.к. почти всё современное оборудование поддерживает Auto-MDIX — технология позволяющая интерфейсу автоматически определять на какой паре прием, а на какой передача.
Возникает вопрос: откуда берется ограничение на длину сегмента у Ethernet по витой паре, если нет разделяемой среды? Всё дело в том, первые сети построенные на витой паре использовали концентраторы. Концентратор (иначе говоря многовходовый повторитель) — устройство имеющее несколько портов Ethernet и транслирующее полученный пакет во все порты кроме того, с которого этот пакет пришел. Таким образом если концентратор начинал принимать сигналы сразу с двух портов, то он не знал, что транслировать в остальные порты, это была коллизия. То же касалось и первых Ethernet-сетей использующих оптику (10Base-FL).
Зачем же тогда использовать 4х-парный кабель, если из 4х пар используются только две? Резонный вопрос, и вот несколько причин для того, чтобы делать это:
- 4х-парный кабель механически более надежен чем 2х-парный.
- 4х-парный кабель не придется менять при переходе на Gigabit Ethernet или 100BaseT4, использующие уже все 4 пары
- Если перебита одна пара, можно вместо нее использовать свободную и не перекладывать кабель
- Возможность использовать технологию Power over ethernet
Не смотря на это на практике часто используют 2х-парный кабель, подключают сразу 2 компьютера по одному 4х-парному, либо используют свободные пары для подключения телефона.
Gigabit Ethernet
В отличии от своих предшественников Gigabit Ethernet всегда использует для передачи одновременно все 4 пары. Причем сразу в двух направлениях. Кроме того информация кодируется не двумя уровнями как обычно (0 и 1), а четырьмя (00,01,10,11). Т.е. уровень напряжения в каждый конкретный момент кодирует не один, а сразу два бита. Это сделано для того, чтоб снизить частоту модуляции с 250 МГц до 125 МГц. Кроме того добавлен пятый уровень, для создания избыточности кода. Он делает возможной коррекцию ошибок на приеме. Такой вид кодирования называется пятиуровневым импульсно-амплитудным кодированием (PAM-5). Кроме того, для того, чтоб использовать все пары одновременно для приема и передачи сетевой адаптер вычитает из общего сигнала собственный переданный сигнал, чтоб получить сигнал переданный другой стороной. Таким образом реализуется полнодуплексный режим по одному каналу.
Дальше — больше
10 Gigabit Ethernet уже во всю используется провайдерами, но в SOHO сегменте не применяется, т.к. судя по всему там вполне хватает Gigabit Ethernet. 10GBE качестве среды распространения использует одно- и многомодовое волокно, с или без уплотнением по длине волны, медные кабели с разъемом InfiniBand а так же витую пару в стандарте 10GBASE-T или IEEE 802.3an-2006.
40-гигабитный Ethernet (или 40GbE) и 100-гигабитный Ethernet (или 100GbE). Разработка этих стандартов была закончена в июле 2010 года. В настоящий момент ведущие производители сетевого оборудования, такие как Cisco, Juniper Networks и Huawei уже заняты разработкой и выпуском первых маршрутизаторов поддерживающих эти технологии.
В заключении стоит упомянуть о перспективной технологии Terabit Ethernet. Боб Меткалф, создатель предположил, что технология будет разработана к 2015 году, и так же сказал:
Чтобы реализовать Ethernet 1 ТБит/с, необходимо преодолеть множество ограничений, включая 1550-нанометровые лазеры и модуляцию с частотой 15 ГГц. Для будущей сети нужны новые схемы модуляции, а также новое оптоволокно, новые лазеры, в общем, все новое
UPD: Спасибо хабраюзеру Nickel3000, что подсказал, про то что разъем, который я всю жизнь называл RJ45 на самом деле 8P8C.
UPD2:: Спасибо пользователю Wott, что объяснил, почему используются контакты 1,2,3 и 6.
Читайте также: