Какие существуют интерфейсы доступа ethernet

Обновлено: 07.07.2024

Технология Ethernet позволяет использовать различные среды передачи, для каждой из которой имеется стандартное название вида XBaseY, где X— скорость передачи, Мбит/с (10, 100, 1000. ); Base — ключевое слово (обозначает немодулированную передачу); Y— условное обозначение среды передачи и дальности связи. Все современные версии Ethernet используют кабель «витая пара» или оптоволоконный и звездообразную топологию. Центральным устройством звезды может быть повторитель (он же хаб, hub) или коммутатор (switch). Возможно и двухточечное соединение двух узлов. Для старых версий на коаксиальном кабеле была характерна шинная топология, главным недостатком которой является низкая надежность всей сети. Есть и экзотический вариант пассивной оптической шины lOBaseFP. Иногда в сетях применяются конверторы среды передачи (media converter), преобразующие типы интерфейсов. Чаще всего используются конверторы «витой пары» в оптику, также применяют и конверторы одномодового оптоволокна в многомодовое.

Для Ethernet со скоростью 10 Мбит/с существуют следующие стандарты.

406______________________________ Глава 10. Интерфейсы компьютерных сетей

Для сетей Fast Ethernet со скоростью 100 Мбит/с существуют следующие стандарты.

Для сетей Gigabit Ethernet со скоростью 1000 Мбит/с существуют следующие стандарты.

10.1. Стандарты и интерфейсы Ethernet__________________________________ 407

Выше были приведены ограничения на длину каждого физического соединения в сети, однако для работоспособности (надежной работы протокола разрешения коллизий) должны выполняться и дополнительные условия, подробно описанные в литературе [3]. Задача уменьшения диаметра домена коллизий решается применением коммутаторов, а преодоление коллизионных ограничений на длину каждого соединения обеспечивается переходом на полнодуплексный режим связи (в котором коллизий нет как таковых). Для 10-Мбитных сетей Ethernet должны соблюдаться перечисленные ниже условия.

Для сетей Fast Ethernet ограничения жестче.

В Gigabit Ethernet применяются только коммутаторы, так что действуют только ограничения на длину соединений.

Для оптических соединений применяемые разъемы разнообразны: ST, SC, MT-RJ и другие. Коаксиальные разъемы для «толстого» и «тонкого» кабелей различны (серии «N» и BNC соответственно). Отметим, что каждый сегмент коаксиала должен оканчиваться терминаторами 50 Ом и быть заземлен в одной точке. «Схемная земля» компьютера не имеет гальванической связи с экраном коаксиального разъема, так что следует избегать случайного касания BNC-разъемов с металлическими частями, связанными с шасси компьютера. Сети на коаксиале требуют правильного заземления, нарушение правил чревато выгоранием адаптеров.

Для витой пары применяются разъемы RJ-45 (рис. 10.1), назначение контактов разъема сетевого адаптера (порт MDI) приведено в табл. 10.1. Порты концентраторов lOBaseT, 100BaseTX и 100BaseT4 имеют тип MDIX, у них сигналы ТХ и RX поменяны местами. Для подключения конечных узлов к портам активного оборудования (соединение портов MDI-MDIX, рис. 10.2, а) используется «прямой» кабель (рис. 10.3, а), для непосредственного соединения адаптеров (MDI-MDI, рис. 10.2, 6) или соединения двух коммуникационных устройств (MDIX-MDIX) применяют «перекрестный» кабель (рис. 10.3, б). В коммуникационных устройствах, как правило, один из портов снабжают переключателем MDI-MDIX или дополнительным разъемом.

Глава 10. Интерфейсы компьютерных сетей

Таблица 10.1.Разъем RJ-45 адаптера Ethernet

Контакт 10BaseT/100BaseTX 100BaseT4 1000BaseTX

Тх+	Tx_D1 +	BlD1 +
Тх-	Tx_D1-	BlD1-
RX+	Rx_D2+	BlD2+
Не подключен	BI_D3+	B!_D3+
Не подключен	BI_D3-	BI_D3-
Rx-	Rx_D2-	BI_D2-
Не подключен	BI_D4+	BI_D4+
Не подключен	BI_ D4-	BI_ D4-

Рис. 10.1. Разъем RJ-45: a — вилка, б — розетка

Рис. 10.2.Сеть 10BaseT/100BaseTX: а —звезда, б—двухточечное соединение

Рис. 10.3.Интерфейсные кабели Ethernet: а — «прямой», б — «перекрестный»

10.1. Стандарты и интерфейсы Ethernet__________________________________ 409

В локальных сетях обычно используется кабельная проводка, состоящая из стационарных кабелей, оканчивающихся розетками, и коммутационных шнуров. Стационарную проводку выполняют так, что она обеспечивает «прямое» соединение кон-' тактов своих интерфейсных разъемов. Коммутационные шнуры могут быть как «прямыми», так и «перекрестными». Заметим, что связи контактов 4, 5, 7 и 8 требуются только в 100BaseT4 и lOOOBaseTX, но для lOBaseT и 100BaseTX они не мешают, так что кабельное хозяйство едино.

В Gigabit Ethernet lOOOBaseTX применяются только «прямые» кабели. Универсальные порты совместимы с Fast Ethernet (поддерживают автосогласование). Если два порта Gigabit Ethernet соединить «перекрестным» кабелем, они свяжутся в режиме 100BaseTX.

Для приведенных выше реализаций Ethernet на витой паре предусмотрен протокол согласования режимов (autonegotiation), который исполняется каждый раз при установлении соединения после физического подключения и (или) инициализации портов. Протокол основан на обмене служебными импульсами (они отличны от кадров передаваемой информации). Этот протокол позволяет соединяемым портам выбрать самый эффективный из режимов, доступных обоим портам. Приоритеты режимов в порядке убывания: ЮООВазеТ, 100BaseTX полнодуплексный, 100BaseT4,100BaseTX полудуплексный, lOBaseT полнодуплексный, lOBaseT полудуплексный. Протокол автоматического согласования может быть отключен (или не реализован), в этом случае режим работы задается принудительно при конфигурировании порта. Возможность переключения режимов отражается в названиях портов (например, Fast Ethernet 10/100), поддержка режима 100BaseT4 встречается нечасто.

Для оптических вариантов тоже появился протокол согласования, но его возможности ограничиваются из-за вероятного несовпадения длин волн, используемых в разных вариантах. Правда, здесь автосогласование не так уж и необходимо, поскольку оптических соединений гораздо меньше, их тщательно планируют и не так уж часто реконфигурируют.

В стандарте Ethernet (10 Мбит/с) определен интерфейс AUI (Attachment Unit Interface — интерфейс устройства подключения), с помощью которого к адаптеру можно подключать трансивер (приемопередатчик) для любой среды передачи. В трансивере располагаются оконечные цепи передатчика, приемника и детектор коллизий. Назначение контактов интерфейса AUI приведено в табл. 10.2, здесь используется оазъем DB-15 (розетка на адаптере, вилка на трансивере).

Таблица 10.2.Разъем AUI -интерфейса Ethernet Контакт Сигнал

Collision (экран)

Collision +

Transmit +

Receive (экран)

продолжение ^

Глава	10.	Интерфейсы	компьютерных сетей
Таблица 10	.2 (продолжение)
Контакт	Сигнал

Receive +

DC Power GND

He подключен

Collision -

Transmit -

Transmit (экран)

Receive -

DC Power (+12B)

DC Power (экран)

He подключен

В стандарте на Fast Ethernet фигурирует интерфейс МП (Media Independent Interface — интерфейс, независимый от среды передачи). В МП данные для приемника и передатчика передаются в некодированном виде по 4-битным параллельным шинам (с частотой синхронизации 2,5 и 25 МГц для скоростей 10 и 100 Мбит соответственно) или в последовательном коде (для 10 Мбит/с). В интерфейсе имеются сигналы синхронизации и управления приемником и передатчиком, состояния линии (наличие несущей, коллизия), а также последовательный интерфейс управления SMI (см. п. 11.2), по которому можно общаться с управляющими регистрами трансивера. Определен и физический разъем для подключения сменных модулей (40-контактный двухрядный), но в ПК он практически не встречается.

Сетевые адаптеры

Интерфейсы локальных сетей в ПК обеспечивают сетевые адаптеры, или сетевые интерфейсные карты (Network Interface Card, NIC). Адаптеры имеют передающую и принимающую части, которые в случае поддержки полного дуплекса должны быть независимы друг от друга. Задача передающей части: по получении со стороны центрального процессора (ЦП) блока данных и адреса назначения для передачи получить доступ к среде передачи, сформировать и передать кадр (добавить преамбулу, CRC-код), делая повторные попытки в случае обнаружения коллизий. Адаптер должен сообщить процессору об успехе или невозможности передачи. Приемная часть, просматривая заголовки всех кадров, проходящих в линии, «выуживает» из этого потока кадры, адресованные данному узлу уникальным, широковещательным или групповым способом. Адаптер можно программно настроить и на «неразборчивый» режим (promiscuous mode), в котором он будет принимать все кадры без разбора. Кадры принимаются в буфер и проверяются на отсутствие ошибок (длина кадра, корректность CRC). О приеме корректных кадров уведомляется центральный процессор и организуется передача кадра из локального буфера адаптера в системную память компьютера. Ошибочные кадры, как правило,

10.2. Сетевые адаптеры____________________________ _{=_______________________________} 411

игнорируются, хотя адаптер может собирать статистику их появления. На практике попадаются и адаптеры, не обнаруживающие ошибок в поврежденных кадрах. Диагностика сети с таким адаптером непроста.

Сетевые адаптеры для PC выпускаются для шин ISA, EISA, MCA, VLB, PCI, PC Card. Существуют адаптеры, подключаемые к стандартному LPT-порту PC; их преимущество — отсутствие потребностей в системных ресурсах (порты, прерывания и т. п.) и легкость подключения (без вскрытия компьютеров), недостаток — при обмене они значительно загружают процессор и не обеспечивают высокой скорости передачи («потолок» — 10 Мбит/с). Есть адаптеры и для шины USB. Сетевые адаптеры интегрируются и в некоторые модели системных плат.

412______________________________ Глава 10. Интерфейсы компьютерных сетей

достаточно по 2 Кбайт на приемник и передатчик. Однако адаптеры Gigabit Ethernet опять снабжают буфером значительного размера (256 Кбайт).

Адаптеры можно разделить на две группы — адаптеры для рабочих станций и адаптеры для серверов. Деление условно — адаптеры для рабочих станций могут иметь черты, относящиеся к серверным. Использовать простые карты в серверах не стоит — они могут стать узким местом сети и «пожирателями» ресурсов ЦП.

Адаптеры для рабочих станций проще и дешевле — для них не требуется (пока?) скорости выше 100 Мбит/с, полный дуплекс встречается редко, к использованию процессорного времени особо жестких требований не предъявляют. Долгие годы широко применяются адаптеры, программно совместимые с картами NE2000 — 16-битными неинтеллектуальными картами для шины ISA разработки Novell-Eagle. Совместимость с этой моделью имеют и ряд карт для шины PCI. Наиболее удобны и популярны двухскоростные карты 10/100 Мбит/с — для их подключения в современных сетях легко найти оптимальное место. Карты обычно имеют колодку для установки Boot ROM, современные модели часто обеспечивают возможность «пробуждения» по сети (remote wake up), поддерживают интерфейс DMI и ACPI. Для этого они имеют специальный дополнительный 3-проводный интерфейс — кабель с коннектором, подключаемый к системной плате. По этому кабелю системная плата с питанием в стандарте АТХ подает дежурное напряжение (линия +5VSB), даже когда основное питание на системную плату и все устройства не подается. От этой линии питается «дежурная» принимающая схема, которая настроена на прием кадра специфического формата (Magic Packet) no сетевому интерфейсу. По приему этого кадра сетевой адаптер через кабель подает пробуждающий сигнал РМЕ на системную плату, которая дает сигнал на включение блока питания; компьютер включается и загружается ОС с поддержкой DMI. Теперь администратор может выполнить все запланированные действия, а по окончании ОС на компьютере, завершая свою работу, выключает питание.

Адаптеры для серверов должны иметь высокопроизводительную шину — сейчас используют PCI32/64 бит 33/66 МГц, раньше в серверах часто применяли шину EISA или МСА. Для серверных карт критична загрузка ЦП при обмене данными, поэтому эти карты наделяют интеллектом для прямого управления шиной и параллельной работы узлов адаптера. Полнодуплексные адаптеры должны поддерживать управление потоком по 802.3х. Ряд совершенных моделей поддерживают приоритизацию трафика по 802.1р, фильтрацию многоадресного трафика, поддержку ВЛС с маркированными кадрами (tagged VLAN), Fast IP, аппаратный подсчет контрольных сумм IP-пакетов. Поддержка ВЛС позволяет серверу, подключенному одной линией к коммутатору, быть членом нескольких ВЛС, определенных на всей локальной сети. Для повышения надежности серверные карты могут поддерживать резервирование линий (Resilient Link) — резервный адаптер и линия связи заменяют основной канал в случае его отказа. При этом резервному адаптеру присваивается МАС-адрес основного, чтобы сеть «не заметила» подмены. Резервирование линий должно поддерживаться программными драйверами, чтобы замена происходила прозрачно и для серверных приложений. «Самоизлечивающиеся» драйверы (Self-Healing Drivers) в случае обнаружения проблем функ-

10.2. Сетевые адаптеры______________________________________________ 413

ционирования («зависании») могут автоматически выполнить сброс и повторную инициализацию адаптера. Удаленная загрузка и пробуждение по сети серверам, как правило, не требуется. Адаптеры (совместно с драйверами) могут поддерживать SNMP и RMON. Для серверов выпускаются и многопортовые (как правило, на 4 порта) адаптеры, конфигурируемые как для раздельного независимого использования, так и для резервирования друг друга. Такие карты позволяют экономить слоты PCI (для шины EISA проблема экономии слотов не была острой). Типовая скорость для серверных карт на сегодняшний день — 100 Мбит/с, производительность Gigabit Ethernet может быть востребована лишь очень мощными серверами.

Адаптер может иметь один или несколько интерфейсных разъемов:

Для 10-мегабитных адаптеров характерны сочетания BNC+AUI или RJ-45+AUI, наиболее универсальные «Combo» имеют полный 10-мегабитный набор BNC/AUI/ RJ 45. Первые модели карт на 10 и 100 Мбит/с имели пару разъемов RJ-45 — каждый для своей скорости. При наличии нескольких разных разъемов (например, BNC и RJ-45) одновременно они не используются — адаптер не может работать в качестве повторителя. Большинство современных адаптеров имеют один разъем RJ-45 и поддерживают два стандарта — lOBaseT и 100BaseTX. Многопортовые серверные карты имеют несколько независимых адаптеров, каждый со своим интерфейсом.

Интерфейсные карты потребляют системные ресурсы компьютера.

414______________________________ Глава 10. Интерфейсы компьютерных сетей

Под конфигурированием адаптера подразумевается настройка на использование системных ресурсов PC и выбор среды передачи. Конфигурирование, в зависимости от модели карты, может осуществляться разными способами.

Выбор среды и скорости передачи может быть ручным (программным) или автоматическим. В ряде случаев имеет смысл делать явные назначения, чтобы избегать сюPnPизов излишней автоматизации. Эти сюPnPизы, как правило, порождаются недостаточной согласованностью адаптеров и их драйверов. При этом драйвер не может правильно распознать установленный режим и воспользоваться его преимуществами. Автоматическая настройка вносит дополнительные задержки в процесс инициализации (при загрузке) и не со всяким сетевым оборудованием работает корректно. Для некоторых моделей карт с интерфейсом 10Base2 (BNC-разъем) предлагается расширенный режим, увеличивающий дальность связи до 305 м против штатных 185. При необходимости длинных сегментов этим режимом можно воспользоваться, но при условии, что он имеется и включен во всех картах данного сегмента. В утилитах конфигурирования могут предлагаться и дополнительные настройки — оптимизация для клиента или сервера, поддержка модема и некоторые другие. Их установка должна соответствовать конкретному применению.

Ethernet (Локальная сеть) (англ. Ethernet от англ. ether — «эфир» и англ. network — «сеть, цепь») — семейство технологий пакетной передачи данных между устройствами для компьютерных и промышленных сетей. Стандарты Ethernet определяют проводные соединения и электрические сигналы на физическом уровне, формат кадров и протоколы управления доступом к среде — на канальном уровне модели OSI [рис.5]. Ethernet в основном описывается стандартами IEEE группы 802.3. Ethernet стал самой распространённой технологией ЛВС в середине 1990-х годов, вытеснив такие устаревшие технологии, как Token Ring, FDDI и ARCNET.

Содержание

Становление технологии Ethernet

Название «Ethernet» (буквально «эфирная сеть» или «среда сети») отражает первоначальный принцип работы этой технологии: всё, передаваемое одним узлом, одновременно принимается всеми остальными (то есть имеется некое сходство с радиовещанием). В настоящее время практически всегда подключение происходит через коммутаторы (switch), так что кадры, отправляемые одним узлом, доходят лишь до адресата (исключение составляют передачи на широковещательный адрес) — это повышает скорость работы и безопасность сети. [Источник 1]

Ethernet является одной из самых распространенных при построении компьютерных сетей технологией. Существует множество разновидностей данного протокола для различных сред передачи, необходимой полосы пропускания и расстояний между оконечными устройствами.

О том, что такое Ethernet, стало известно в семидесятых годах XX столетия. Появление Ethernet принято датировать 22 мая 1973 года, в связи с публикацией Робертом Меткалфом [рис.1](Robert Metcalf) и Дэвидом Боггсом (David Boggs) описания экспериментальной сети, построенной ими в исследовательском центре фирмы Xerox.

Рисунок 1 - Роберт Меткалф - один из создателей Ethernet

После Гарварда Меткалфу подвернулась работа в исследовательском центре Xerox Palo Alto Research Center, там нужно было создать технологию подключения разработанных в PARC персональных компьютеров Alto к недавно созданному в том же центре лазерному принтеру. Ни один из существовавших на тот момент способов подключения не обеспечивал нужную скорость передачи данных. Напарник по работе, Дэвид Боггс, имел образование радиоинженера. Это Боггс подсказал идею использовать радио в качестве прототипа для среды-носителя. Объединив знания по передаче пакетов с радио, они составили отличную связку. Вместе 22 мая 1973 года они написали внутренний документ, где были описаны механизмы передачи данных по разным видам соединений (по телефонному каналу, по коаксиальному кабелю и по радио) с использованием протоколов ALOHAnet, однако он немного отличался от проекта в Xerox и являлся предпосылкой к созданию Ethernet. Любопытно, что в самом Xerox PARC проект, позже названный Ethernet, взял верх над проектом SIGNET (Simonyi's Infinitely Glorious NETwork) Чарльза Симони. [Источник 2]

Первая версия спецификации (Ethernet I) была выпущена в 1983 году в виде стандарта IEEE 802.3. Стандартом определялась шинная топология сети. Передача данных в сетях этого типа возможна по коаксиальному кабелю со скоростью 10 Мбит/с (стандарты IEEE 10Base5 и 10Base2). В 1985 году была выпущена вторая версия спецификации IEEE 802.3 (Ethernet II), которая изменила структуру пакета данных, обеспечила идентификацию адресов в сети (MAC-addresses) и возможность регистрации уникальных адресов. В 1990 году была выпущена спецификация Ethernet для витых пар (стандарт 10Base-T), в 1991 году — стандарт IEEE 802.3i для неэкранированных витых пар, а в 1993 году — спецификация для волоконно-оптического кабеля (стандарт 10Base-FL). В 1990-х годах начали развиваться беспроводные сети: так называемые радио-Ethernet (базовый стандарт — IEEE 802.11), а также — Fast Ethernet (стандарт 100BaseTX), Gigabit Ethernet (стандарт 100BaseTX). Метод доступа, используемый в кабельных сетях Ethernet — CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection, множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов). Этот протокол описан в Ethernet - и Fast Ethernet-стандартах. В соответствии с этим протоколом устройства начинают передачу данных только после обнаружения свободного канала связи для сокращения между ними количества коллизий. Все версии семейства Ethernet ориентированы на поддержку работы до 1024 узлов сети. [Источник 3]

Протокол Ethernet относится к физическому и канальному уровням эталонной модели взаимодействия открытых систем OSI (Open Systems Interconnection). Он описывает порядок доступа в сеть, правила разграничения общей полосы передачи, требования к линии связи и другие важные характеристики. Протокол Ethernet предполагает, что все участники информационного обмена используют общую среду передачи. Это может быть коаксиальный кабель, витая пара, оптическое волокно или даже радиосоединение. Для разграничения общей среды применяется метод множественного доступа с контролем несущей и обнаружением коллизий (CSMA/CD - Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection). Суть его будет рассмотрена ниже.

Принцип работы

Этот тип сети имеет звездообразную или линейную структуру со скоростью 10-100 мегабит/секунду. Первоначально Ethernet был основан на коаксиальном кабеле, однако со временем технология изменилась, и сеть начали строить на базе оптоволоконных кабелей или витых пар. Сейчас существует около тридцати видов сети Ethernet, которые отличаются по скорости, топографии, величине и типу кабеля. Далеко не все разновидности нашли коммерческое применение.

Пропускная способность сети Ethernet

Пропускная способность оценивается через количество кадров либо количество байт данных, передаваемых по сети за единицу времени. Если в сети не происходят коллизии, максимальная скорость передачи кадров минимального размера(64 байта) составляет 14881 кадров в секунду. При этом полезная пропускная способность для кадров Ethernet II – 5.48 Мбит/с.

Максимальная скорость передачи кадров максимального размера (1500 байт) составляет 813 кадров в секунду. Полезная пропускная способность при этом составит 9.76 Мбит/с.

Стандарты

Первый вариант – экспериментальная реализация в Xerox. Xerox Ethernet – технология, основанная на коаксиальном кабеле с максимальной скоростью 3 мегабита в секунду. Модификация StarLan, в которой впервые была применена витая пара. Скорость такого соединения невелика – всего 1 мегабит в секунду.

Ethernet II (Ethernet DIX) – фирменный стандарт Ethernet компани Xerox, Intel, DEC. Все компьютеры сети подключались к общему коаксиальному кабелю. Коаксиальный кабель (coaxial, от co — совместно и axis — ось, то есть «соосный») – это кабель из пары проводников – центрального провода и окружающего его металлического цилиндра – экрана. Промежуток между проводом и экраном заполнен изоляцией, снаружи кабель так же покрыт изолирующей оболочкой. Такой кабель используется, например, в телевизионных антеннах. [Источник 5]

IEEE 802.3 – юридический стандарт Ethernet

Ethernet II и IEEE 802.3 незначительно отличаются. Первый из них исторически раньше появился и при появлении второго много оборудования было на Ethernet II. Сейчас поддерживаются оба. Различие в том, что в Ethernet II передавался тип протокола, а по IEEE 802.3 вместо него передавалась длина поля данных.

Физические спецификации технологии Ethernet включают следующие среды передачи данных:

10Base-5 - коаксиальный кабель диаметром 0,5 дюйма (1дм=2,54см), называемый «толстым» коаксиальным кабелем, с волновым сопротивлением 50Ом.
10Base-2 - коаксиальный кабель диаметром 0,25 дюйма, называемый «тонким» коаксиальным кабелем, с волновым сопротивлением 50Ом.
10Base-T - кабель на основе неэкранированной витой пары (Unshielded Twisted Pair, UTP), категории 3,4,5.
10Base-F - волоконно-оптический кабель.

Число 10 обозначает номинальную битовую скорость передачи данных стандарта, то есть 10Мбит/с а слово «Base» - метод передачи на одной базовой частоте. Последний символ обозначает тип кабеля.

Рисунок 2 - l0Base-5

10Base-5 Кабель [рис.2] используется как моноканал для всех станций, максимальная длина сегмента 500м. Станция подключаться к кабелю через приемопередатчик - трансивер. Трансивер соединяется с сетевым адаптером разъема DB-15 интерфейсным кабелем AUI. Требуется наличие терминаторов на каждом конце, для поглощения распространяющихся по кабелю сигналов.

Правила «5-4-3» для коаксиальных сетей:

Стандарт сетей на коаксиальном кабеле разрешает использование в сети не более 4 повторителей и, соответственно, не более 5 сегментов кабеля. При максимальной длине сегмента кабеля в 500 м это дает максимальную длину сети в 500*5=2500 м. Только 3 сегмента из 5 могут быть нагруженными, то есть такими, к которым подключаются конечные узлы. Между нагруженными сегментами должны быть ненагруженные сегменты.

Рисунок 3 - l0Base-2

10Base-2 Кабель [рис.3] используется как моноканал для всех станций, максимальная длина сегмента 185 м. Для подключения кабеля к сетевой карте нужен T-коннектор, а на кабеле должен быть BNC-коннектор. Также используется правило 5-4-3.

10Base-T кабель [рис.4] бразует звездообразную топологию на основе концентратора, концентратор осуществляет функцию повторителя и образует единый моноканал, максимальная длина сегмента 100м. Конечные узлы соединяются с помощью двух витых пар. Одна пара для передачи данных от узла к концентратору - Tx, а другая для передачи данных от концентратора к узлу – Rx.

Рисунок 4 - l0Base-T

Правила «4-х хабов» для сетей на основе витой пары: В стандарте сетей на витой паре определено максимально число концентраторов между любыми двумя станциями сети, а именно 4. Это правило носит название «правила 4-х хабов». Очевидно, что если между любыми двумя узлами сети не должно быть больше 4-х повторителей, то максимальный диаметр сети на основе витой пары составляет 5*100 = 500 м (максимальная длина сегмента 100м).

В модификации 100BASE-T на базе витой пары скорость увеличилась до ста мегабит/секунду. Этот тип получил дальнейшее развитие. 100BASE-FX передает данные по оптоволоконному кабелю на расстояние 10 километров со скоростью сто мегабит/секунду. В 1000BASE-T используются четыре вытые пары, а расстояние равняется ста метрам. В модификации 1000BASE-LH расстояние увеличилась до 100 километров. Скорость два последних вида имеют самую высокую, она достигает 1000 мегабит в секунду.

l0Base-F Функционально сеть Ethernet на оптическом кабеле состоит из тех же элементов, что и сеть стандарта 10Base-T. Стандарт FOIRL (Fiber Optic Inter-Repeater Link) первый стандарт комитета 802.3 для использования оптоволокна в сетях Ethernet. Мах длина сегмента 1000м, мах число хабов 4, при общей длине сети не более 2500 м. [Источник 6]

Стандарт 10Base-FL незначительное улучшение стандарта FOIRL. Мах длина сегмента 2000 м. Максимальное число хабов 4,а максимальная длина сети - 2500 м.

Стандарт 10Base-FB предназначен только для соединения повторителей. Конечные узлы не могут использовать этот стандарт для присоединения к портам концентратора. Мах число хабов 5, мах длина одного сегмента 2000 м и максимальной длине сети 2740 м.

Рисунок 5 - Место Ethernet в модели OSI

Типы Ethernet

Название	Скорость	Кабель	Стандарт
Ethernet	10Mb/s	Толстый, тонкий коаксиал, Витая пара, оптика	802.3
Fast Ethernet	100Mb/s	Витая пара, оптика	802.3u
Gigabit Ethernet	1Gb/s	Витая пара, оптика	802.3z, 802.3ab
10G Ethernet	10Gb/s	Витая пара, оптика	802.3ae, 802.3an

Есть 2 технологии Ethernet:

1. Классический Ethernet

Разделяемая среда
Ethernet - Gigabit Ethernet

2. Коммутируемый Ethernet

Точка-точка
Появился в Fast Ethernet
Единственный вариант в 10G Ethernet [Источник 7]

Существуют две конкурирующие технологии для передачи данных по сети Ethernet со скоростью 100 Мбит/с — это стандарты 100Base-T и 100VG-AnyLAN. Архитектура Ethernet позволяет производить объединение нескольких кабельных ЛВС в распределенную вычислительную сеть. Версия Ethernet фирмы Apple носит наименование EtherTalk (не путать с AppleTalk).

Данные в эфир передаются не однородным потоком, а блоками. Блоки эти на канальном уровне принято называть кадрами (frame [рис.6]). Каждый кадр состоит из служебных и полезных данных. Служебные данные – это заголовок, в котором указаны MAC-адрес отправителя, MAC-адрес назначения, тип вышестоящего протокола и тому подобное, а так же контрольная сумма в конце кадра. В середине кадра идут полезные данные – собственно то, что передаётся по Ethernet.

Контрольная сумма позволяет проверить целостность кадра. Сумму считает отправитель и записывает в конец кадра. Получатель вновь считает сумму и сравнивает её с той, что записана в кадре. Если суммы совпали, то, скорее всего, данные в кадре при передаче не повредились. Если же сумма не совпала, то данные точно повредились. Понять по контрольной сумме, какая именно часть кадра повреждена, невозможно. Поэтому в случае несовпадения суммы весь кадр считается ошибочным.

Рисунок 6 - Пример передачи данных

Если кадр пришёл с ошибкой, его необходимо передать заново. Чем больше размер кадра, тем больше данных придётся передавать повторно при каждой ошибке. Плюс, пока интерфейс передаёт один большой кадр, остальные кадры вынуждены ждать в очереди. Поэтому передавать очень большие кадры не выгодно, и длинные потоки данных делятся на части между кадрами. С другой стороны, делать кадры короткими тоже не выгодно. В коротких кадрах почти весь объём будут занимать служебные данные, а полезных данных будет передано мало. Это характерно не только для Ethernet, но для многих других протоколов передачи данных. Поэтому для каждого стандарта существует свой оптимальный размер кадра, зависящий от скорости и надёжности сети. Максимальный размер полезной информации, передаваемой в одном блоке, называется MTU (maximum transmission unit). Для Ethernet он равен 1500 байт. То есть каждый Ethernet-кадр может нести не более 1500 байт полезных данных.

MAC-адреса и кадры позволяют разделить данные в общем Ethernet-эфире. Интерфейс обрабатывает только те кадры, MAC-адрес назначения которых совпадает с его собственным MAC-адресом. Кадры, адресованные другим получателям, интерфейс должен игнорировать. Достоинство такого подхода – простота реализации. Но есть и масса недостатков. Во-первых, проблемы безопасности. Любой может прослушать все данные, транслируемые в общий эфир. Во-вторых, эфир можно заполнить помехами. На практике, одна сбойная сетевая карта, постоянно отсылающая какие-то кадры, может повесить всю сеть предприятия. В-третьих, плохая масштабируемость. Чем больше компьютеров в сети, тем меньший кусочек эфира им достаётся, тем меньше эффективная пропускная способность сети. [Источник 8]

В процессе работы сети Ethernet может возникнуть ситуация, когда сразу несколько передатчиков начнут передавать информацию одновременно. Для предотвращения данной ситуации и применяется метод обнаружения коллизий. Если одна из рабочих станций в процессе передачи обнаружит коллизию, т.е. одновременную передачу пакетов сразу от нескольких источников, то в первую очередь источник информации приостанавливает передачу. Далее он посылает в сеть специальный сигнал – "jam signal", который увеличивает вероятность обнаружения коллизии другими станциями, чтобы они также остановили процесс обмена информацией. Далее передатчик информации выжидает некоторое случайное время, после которого он снова пытается получить доступ в сеть. Если среда передачи будет занята, то интервал ожидания будет увеличен и так далее, до тех пор, пока среда не окажется свободный и информация не будет передана.

Как уже было сказано ранее, существует целое семейство протоколов, объединенных под общим название Ethernet: Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, 10G Ethernet и т.д. Разработкой данного стандарта в настоящее время занимается IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) и версии выходят под обозначением "802.3х". Одним из последних стандартов является 100 Gigabit Ethernet, который предусматривает скорость передачи до 100 Гбит/сек по оптическому волокну. В сотовой связи стандарт Ethernet получил достаточно широкое распространение. Уже давно он используется для подключения различных элементов сети, установленных на одной площадке, либо в непосредственной близости друг к другу (до 100 метров), например MSС и HLR, BSC и транскодер.

С распространением оптоволоконных линий связи и появлением систем сотовой связи 3G, в частности UMTS, Ethernet начал применятся практически на всех интерфейсах в стыке с IP-протоколом: NodeB-RNC, RNC-MGW, RNC-SGSN и т.д. Широкое распространение данной технологии обусловлено в первую очередь высокой надежностью, быстротой развертывания и настройки, большого выбора маршрутизаторов и каналообразующего оборудования, а также достаточно высоких возможных скоростей передачи данных. Благодаря появлению стандартов 10G и 100G Ethernet данная технология получает широкие перспективы для применения в системах сотовой связи 4G, таких как LTE. [Источник 9]

Ethernet — доминирующая технология проводных локальных сетей. Роберт Метклаф изобрел её в 1973году в Xerox для того, чтобы к одному лазерному принтеру подключить как можно больше компьютеров.
В последствии Xerox, DEC, Intel решают использовать Ethernet в качестве стандартного сетевого решения (Ethernet II).
В 1982 выходит спецификация IEEE 802.3 для стандартизации Ethernet.

Место Ethernet в модели OSI

Типы Ethernet

Название	Скорость	Кабель	Стандарт
Ethernet	10Mb/s	Толстый, тонкий коаксиал, Витая пара, оптика	802.3
Fast Ethernet	100Mb/s	Витая пара, оптика	802.3u
Gigabit Ethernet	1Gb/s	Витая пара, оптика	802.3z, 802.3ab
10G Ethernet	10Gb/s	Витая пара, оптика	802.3ae, 802.3an

Есть 2 технологии Ethernet:

1. Классический Ethernet

Разделяемая среда
Ethernet - Gigabit Ethernet

2. Коммутируемый Ethernet

Точка-точка
Появился в Fast Ethernet
Единственный вариант в 10G Ethernet

В качестве общей шины использовался коаксиальный кабель. В дальнешем такая схема была заменена на концентраторы Ethernet (hub).

Физическая топология – звезда
Логическая топология – общая шина

Компьютеры подключаются к концентратору с помощью витых пар, но внутри – общая шина, то есть все данные, которые приходят на один порт, передаются на все остальные порты.

Для идентификации сетевых интерфейсов узлов внутри сети Ethernet используются MAC-адреса. Очевидно, что они должны быть уникальны в одном сегменте сети. Если несколько имеют один и тот же MAC, то один из них работать не будет и какой именно не регламентировано.

Первый вариант – экспериментальная реализация в Xerox
Ethernet II (Ethernet DIX) – фирменный стандарт Ethernet компани Xerox, Intel, DEC
IEEE 802.3 – юридический стандарт Ethernet

Ethernet II и IEEE 802.3 незначительно отличаются. Первый из них исторически раньше появился и при появлении второго много оборудования было на Ethernet II. Сейчас поддерживаются оба. (Различие в том, что в Ethernet II передавался тип протокола, а по IEEE 802.3 вместо него передавалась длина поля данных)
Ether Types:

0800 — IPv4
86DD — IPv6
0806 — ARP

Поле данных:

Максимальная длина в 1500байт была выбрана разработчиками достаточно произвольно. В то время память была дорогая и этого оптимально хватало. Существуют различные расширения (JumboFrame позволяет передавать до 9000байт)
Минимальная длина в 46байт — ограничение стандарта, об этом будет сказано ниже

Необходимо обеспечить использование канала только одним отправителем
Классический Ethernet использует для этого метод CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection, Множественный доступ с прослушиванием несущей частоты и распознаванием коллизий). Компьютеры прослушивают несущую частоту и передают данные только если среда свободна. Классический Ethernet использует манчестерское кодирование. Несущаяя частота 10-20MHz

Обнаружение коллизий

Компьютер передает и принимает сигналы одновременно и если принятый сигнал отличается от переданного – значит, возникла коллизия. В таком случае компьютеры останавливают передачу данных и передают в среду так называемую Jam-последовательность – специальный сигнал, который очень сильно искажает данные в сети и гарантирует, что все остальные компьютеры распознают коллизию и прекратят передачу данных.
Если в среде нет несущей частоты, то компьютер может начинать передачу данных. При передаче перед данными следует преамбула. Она состоит из 8 байт и служит для синхронизации источника и передатчика. Первые 7 байт – 10101010, последний, 8ой байт – 10101011(последние 2 единицы – ограничитель между преамбулой и данными). После самого кадра следет межкадровый интервал (9.6мкс). Он нужен для предотвращения монопольного захвата канала и приведения сетевых адаптеров в исходное состояние.
Передача кадра
Компьютер передает кадр в общую среду и каждый компьютер, к ней подключенный начинает принимать его и записывать в буффер.
Первые 6 байт – это адрес получателя. Если очередной компьютер узнает в нем свой, то продолжает записывать кадр, остальные – удаляют его из буффера. Но есть специальный режим сетевого адаптера – promiscuous mode (неразборчиый режим), в котором адаптер принимает все кадры в сети, независимо от MAC-адреса назначения. Он используется для мониторинга или диагностики сети.

Период конкуренции
Если компьютер начал передавать данные и обнаружил коллизию, то он делает паузу длительностью L * 512 битовых интервалов (время, необходимое для передачи одного бита, которое при скорости передачи 10 Мбит/с составляет 0,1 мкс). L случайно выбирается из диапазона [0, 2**N – 1], где N – номер попытки. После 10 попыток интервал не увеличивается, а после 16 передача прекращается.

Такой алгоритм хорошо работает при низкой загрузке:

В сети мало компьютеров
Компьютеры редко передают данные

Если же нагрузка высокая, то очевидные проблемы:

Растет число попыток передачи
Растет интервал, сз которого выбирается L, и следовательно длительность пауз
Экспоненциально увеличивается задержка

Существует классическое ограничение – время оборота должно быть меньше времени передачи самого короткого кадра. Иначе произойдет коллизия, которую не заметит отправитель. (Сигнал о коллизии может прийти уже после того, как компьютер завершил передачу кадра и он будет считать, что кадр передан, а на самом деле произошла коллизия).
Параметры Ethernet подобраны таким образом, чтобы коллизии гарантированно распозновались:

Минимальная длина – 46 байт (иначе – выравнивание)
Максимлаьная длина сети 2500м

Недостатки классического Ethernet:

Плохая масштабируемость:

Сеть становится неработоспособной при загрузке разделяемой среды больше, чем на 30%
Работоспособное количество компьютеров – 30

Это новая усовершенственная технология, появилась в 1995году, спецификация IEEE 802.3u.
В ней нет разделяемой среды и используется топология “точка-точка”. Для этого придумали новый тип сетевых устройств – коммутаторы.
Внешне концентратор(для классического Ethernet) и коммутатор почти не отличаются, но внутренее отличие очень большое: концентратор использует топологию “общая шина”, коммутатор же – полносвязную топологию. Концентратор работает на физическом уровне, он передает электрические сигналы, которые поступают на один порт, на все порты. Коммутатор работает на канальном уровне: он анализирует заголовок канального уровня, извлекает адрес получателя и передает данные только на тот порт, к которому подключен получатель.
Особенности работы коммутаторов
В нем хранится таблица коммутации: соответствие порта и MAC-адреса. Для ее заполнения используется алгоритм обратного обучения. Коммутатор анализирует заголовки канального уровня, извлекает адрес отправителя и заполняет таблицу.

Таблица коммутации

Номер порта	MAC-адрес
1	A1-B2-C3-D4-C5-F6
2	1A-2B-3C-4D-5C-6F
3	AA-BB-CC-DD-EE-FF

В реальности в этой таблице может хранится еще другая мета-информация (например, состояние порта, номер vlan и т.п.)
Для передачи кадров внутри коммутатора используется алгоритм прозрачного моста.

Использовались они в классическом Ethernet-e для уменьшения числа коллизий для больших сетей. Принцип был таков: мост подключается к двум сегментам сети и пропускает данные через себя, только если они передаются из одного сегмента сети в другой.

В коммутаторах для передачи данных используется так называемый алгоритм прозрачного моста (мост, который незаметен для сетевых устройств(у него нет своего MAC-адреса) и не требует настройки). По сути, коммутатор и есть некий большой прозрачный мост с множеством портов.
Сам алгоритм предельно прост: на какой-то порт приходят данные, мы извлекаем адрес получателя из заголовка, смотрим в таблицу коммутации:
1. В таблице есть соответствие порту для этого MAC-адреса – передаем даные на него.
2. В таблице нет соответствия порту для этого MAC-адреса (например, с соответствующего компьютера еще не поступало данных) – передаем данные на все порты – по такой же схеме, как работает концентратор.
С такой технологией, очевидно, безлпасность выше, так как данные передаются только непосредственно получателю.

Симплексное соединение используют многие, если не все оптоволоконные соединения. Или, например, dial-up модемы.

Полудуплексный режим используется в некоммутируемом Ethernet и описан в IEEE 802.3. Вообще, это довольно распространенный режим для соединений с какой-то разделяемой средой (общей шиной в Ethernet).

Полнодуплексный режим используется в коммутируемом Ethernet и описан в IEEE 802.3u. При полнодуплексной передаче используется топология "точка-точка". Коллизии в этом случае не происходят, так как отправка и получение данных происходит по разным проводам.

Домен коллизий, образуемый компьютером и портом коммутатора

Коллизия возникает, когда передатчики порта коммутатора и сетевого адаптера одновременно или почти одновременно начинают передачу своих кадров, считая, что изображенный на рисунке сегмент свободен. В результате строгого соблюдения правил разделения среды по протоколу Ethernet порт коммутатора и сетевой адаптер используют соединяющий их кабель в полудуплексном режиме, то есть по очереди - сначала кадр или кадры передаются в одном направлении, а затем в другом. При этом максимальная производительность сегмента Ethernet в 14880 кадров в секунду при минимальной длине кадра делится между передатчиком порта коммутатора и передатчиком сетевого адаптера. Если считать, что она делится пополам, то каждому предоставляется возможность передавать примерно по 7440 кадров в секунду.

Способность оборудования работать с максимальной скоростью в каждом направлении использовали разработчики коммутаторов в своих нестандартных реализациях технологий, получивших название полнодуплексных версий Ethernet.

После опробования полнодуплексной технологии на соединениях коммутатор-коммутатор разработчики реализовали ее и в сетевых адаптерах, в основном адаптерах Ethernet и Fast Ethernet. Многие сетевые адаптеры сейчас могут поддерживать оба режима работы, отрабатывая логику алгоритма доступа CSMA/CD при подключении к порту концентратора и работая в полнодуплексном режиме при подключении к порту коммутатора.
Однако, необходимо осознавать, что отказ от поддержки алгоритма доступа к разделяемой среде без какой-либо модификации протокола ведет к повышению вероятности потерь кадров коммутаторами, а, следовательно, к возможному снижению полезной пропускной способности сети (по отношению к переданным данным приложений) вместо ее повышения.

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!

Читайте также: