• ×

    • Классы сетей Ethernet. Диаметр коллизионного домена и минимальный размер кадра

    24.06.2019

    Реалии современного мира таковы, что компьютер, еще совсем недавно абсолютно нормально воспринимавшийся отдельно от интернета и локальных сетей в качестве самостоятельного инструмента для работы и средства развлечения, сейчас кажется неполноценным. Еще бы, ведь развитие инструментов коллективной работы (повсеместное внедрение различных корпоративных информационных систем, таких как 1C:Предприятие, ПАРУС-Предприятие 8, SAP R/3 и множества других), и развлекательных средств (появление и развитие таких явлений, как форумы, блоги, социальные сети и многого другого) привело к тому, что компьютер, не включенный в сеть, не может полностью удовлетворить потребностей пользователя.

    Более того, развитие современной IP-телефонии и средств бизнес-коммуникации (в первую очередь, это электронная почта), а также IM (таких как ICQ, Агент Mail.ru, Я.Онлайн, Google Talk, Jabber и многих других) превратили современные компьютеры из изолированных систем обработки информации в средство связи.

    Однако для того, чтобы все эти сложные приложения могли успешно работать, необходимо построение компьютерных сетей. И в настоящее время основной технологией для этого является Ethernet (эзернет, от лат. aether – эфир).

    Стандарт технологии Ethernet описывает проводные соединения и электрические сигналы на физическом уровне, формат кадров и протоколы управления доступом к среде. В модели OSI (более крупного стандарта комплексного многоуровневого взаимодействия сетей передачи данных) Ethernet охватывает канальный уровень.

    Таким образом, Ethernet определяет, как именно должна быть построена локальная сеть , какое необходимо использовать оборудование и как именно должна быть организована передача данных на уровне. Иногда можно встретить и другое название технологии Ethernet – IEEE 802.3. Этот принятый IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers – Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике, международная некоммерческая ассоциация специалистов в области техники) стандарт, который закрепляет на бумаге реализацию технологии Ethernet.

    История появления технологии Ethernet

    Технология Ethernet была разработана в корпорации Xerox PARC. Общепринято считать, что Ethernet был изобретён 22 мая 1973 года, когда один из инженеров, Роберт Меткалф (Robert Metcalfe), составил докладную записку для главы PARC о потенциале технологии Ethernet. Но законное право на технологию Меткалф получил через несколько лет. В 1976 году он и его ассистент Дэвид Боггс (David Boggs) издали брошюру под названием «Ethernet: Distributed Packet-Switching For Local Computer Networks», которая подробно описывала новую технологию.

    Меткалф ушёл из Xerox в 1979 году и основал компанию 3Com (в настоящее время – один из мировых лидеров производства телекоммуникационного оборудования). Ему удалось убедить DEC, Intel и Xerox работать совместно и разработать стандарт Ethernet (DIX). Впервые этот стандарт был опубликован 30 сентября 1980 года. Он начал соперничество с двумя крупными запатентованными технологиями: token ring и ARCNET, – которые вскоре были похоронены под накатывающимися волнами продукции Ethernet.

    Развитие сетей Ethernet

    Коаксиальный кабель

    Однако было бы странно, если бы технология, придуманная в далеком 1979 г., дошла до нас без серьезных изменений. Оригинальные сети Ethernet использовали коаксиальный кабель для передачи данных и предусматривали передачу данных на скорости 3Мбит/с.

    Следующим этапом в развитие сетей Ethernet стало увеличение скорости передачи данных. В раннем стандарте IEEE 802.3 (еще эта технология называется 10BASE5, или «Толстый Ethernet») описана технология передачи данных с помощью коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 50 Ом (RG-8) , с максимальной длиной сегмента 500 метров.

    В тоже время появляется стандарт IEEE 802.3a (другими названиями этих сетей Ethernet стали 10BASE2, или «Тонкий Ethernet»). В качестве среды для передачи данных использовался кабель RG-58, с максимальной длиной сегмента 200 метров. Компьютеры присоединялись один к другому, для подключения кабеля к сетевой карте был нужен T-коннектор, а на кабеле должен был быть BNC-коннектор. Кроме того, требовалось наличие терминаторов на каждом конце кабеля. Именно эта технология получила большое коммерческое распространение и нашла себе широкое применение в сетях того времени.

    Витая пара

    Однако применение коаксиального кабеля имело массу недостатков. Поэтому было решено использовать в качестве среды передачи данных витую пару – кабель, представляющий собой одну или несколько пар изолированных проводников, скрученных между собой и покрытых общей пластиковой оболочкой.

    Основными причинами перехода на витую пару были:

    • возможность работы в дуплексном режиме;
    • низкая стоимость витой пары;
    • более высокая надёжность сетей при неисправности в кабеле;
    • возможность питания по кабелю маломощных узлов, например IP-телефонов (стандарт Power over Ethernet, POE);
    • отсутствие гальванической связи (прохождения тока) между узлами сети. При использовании коаксиального кабеля в российских условиях, где, как правило, отсутствует заземление компьютеров, применение коаксиального кабеля часто сопровождалось пробоем сетевых карт, и иногда даже полным «выгоранием» системного блока, поэтому это свойство витой пары было особенно востребовано.

    Несмотря на то, что теоретически возможно подключение к одному кабелю (сегменту) витой пары более двух устройств, работающих в симплексном режиме, такая схема никогда не применяется для Ethernet. Поэтому, все сети на витой паре используют топологию «звезда», в то время как, сети на коаксиальном кабеле построены на топологии «шина». Терминаторы для работы по витой паре встроены в каждое устройство, и применять дополнительные внешние терминаторы в линии не нужно.

    Таким образом, появился стандарт StarLAN 10, который в дальнейшем эволюционировал в стандарт IEEE 802.3i (также известен, как 10BASE-T). Для передачи данных в этом стандарте используется 4 провода кабеля витой пары (две скрученные пары) категории-3 или категории-5. Максимальная длина сегмента 100 метров. Этот стандарт так же получил коммерческое распространение, однако вскоре был заменен более быстрым потомком.

    Fast Ethernet

    Этот потомок получил общепринятое название Fast Ethernet, а технология – IEEE 802.3u (100BASE-TX). В этом стандарте задействована витая пара категории 5 и фактически используются только две неэкранированные пары проводников. Поддерживается дуплексная передача данных, расстояние между устройствами до 100 м. Именно этот стандарт получил в настоящее время максимальное распространение. Более того, упоминая сети Ethernet, чаще всего имеется в виду именно эта реализация этой технологии.

    Gigabit Ethernet

    Однако дальнейшее развитие сетей Ethernet не закончилось, и следующим его этапом стало появление стандарта, получившего название Gigabit Ethernet. Основное достижение – это увеличение скорости передачи данных до 1 Гбит/с.

    Для этого была разработана технология IEEE 802.3ab (1000BASE-T), использующая витую пару категорий 5e. В передаче данных участвуют все 4 пары. Скорость передачи данных – 250 Мбит/с по одной паре.

    Несмотря на то, что большинство существующих сетей используют Fast Ethernet, этот стандарт постепенно вытесняет более современный Gigabit Ethernet.

    10 Gigabit Ethernet

    Несмотря на то, что стандарт Gigabit Ethernet еще только начал свое внедрение, прогресс не стоит на месте, и уже разработан стандарт, который придет ему на смену. Как вы уже догадались, это 10 Gigabit Ethernet, со скоростью передачи данных до 10 Гбит/с.

    Недавно принятая технология, IEEE 802.3an-2006 (10GBASE-T), использует экранированную витую пару и предназначена для передачи данных на расстояниях до 100 метров.

    100 Gigabit Ethernet

    Хотя 10 Gigabit Ethernet еще не получи широкого распространения, уже ведутся разработки следующего стандарта.

    Оптоволокно

    Помимо витой пары, стандарт Ethernet предусматривает также передачу данных через оптоволокно. Этот способ передачи данных позволяет строить существенно более длинные линии и используется для организации магистральных высокоскоростных каналов связи.

    Немного о скорости передачи данных в сетях

    Следует напомнить немного о скорости передачи данных в сетях. Первое, о чем нельзя забывать, – это разница между битами и байтами. Как известно, в одном бите содержится 8 байт, а это означает, что максимальная скорость передачи данных в стандарте Gigabit Ethernet составляет 1000/8=125 Мб/c.

    Вторая особенность, это то, что когда мы говорим о скорости передачи данных, то мы часто имеем в виду скорость передачи полезной информации (например, скорость копирования файлов). Однако в контексте канального уровня OSI (о нем была речь в начале) всегда упоминается общая скорость передачи данных, которая не учитывает разбиения на полезную и служебную информацию. Трудно точно сказать заранее, какое может быть соотношение полезной и служебной информации (а от этого зависит скорость передачи полезной информации). Однако вряд ли служебной информации будет больше, чем полезной и поэтому для определения средней скорости передачи полезной информации можно просто поделить общую скорость в байтах в два раза. Таким образом, для Gigabit Ethernet это будет 62.5 Мб/c.

    Кроме того, не стоит забывать о том, что максимальна общая скорость передачи информации зависит от возможностей всех участвующих в передаче устройств. Так, подобно тому, как скорость эскадры определяется скоростью самого медленного корабля, медленное устройство может сильно уменьшить скорость передачи данных. Поэтому для достижения наилучших результатов убедитесь, что все устройства-участники передачи данных способны работать на выбранных скоростях.

    Ethernet — самый распространённый международный стандарт локальных сетей (несколько миллионов сетей с этой технологией по всему миру).

    Разработкой стандартов локальных сетей занимаются рабочие группы IEEE (Institute of Elecrical and Electronics Engineers — Институт инженеров электротехники и электроники) — международная некоммерческая ассоциация специалистов в области техники, мировой лидер в области разработки стандартов по радиоэлектронике и электротехнике. Эта общественная некоммерческая ассоциация профессионалов ведет свою историю с 1884 года, объединяет 380,000 индивидуальных членов из 150 стран (25% членов проживают вне США).

    Ethernet — это не один, а целое семейство стандартов, имеющих разные пользовательские характеристики.

    Если за основу сравнения этих стандартов взять скорость передачи данных и максимально возможное расстояние между двумя узлами (диаметр сети), то получим такую сравнительную таблицу:

    Сначала рассмотрим принцип построения локальных сетей на основе исторически первого варианта Ethernet (10 Мбит/с), который появился в конце 70–х годов как стандарт трёх компаний — Digital, Intel, Xerox.

    Эта технология, как и технологии Fast Ethernet, Gigabit Ethernet основана на понятии разделяемой среды : каждый узел получает всё, что передаётся по сети; передачу выполняет только один узел, остальные ждут паузы для начала собственной передачи.

    В основе технологии 10G Ethernet положен другой принцип: информация не “разбрасывается” по всей сети, а целенаправленно “проталкивается” от узла к узлу по направлению к пункту назначения. За продвижение данных в такой сети отвечают маршрутизаторы . Они определяют соседний узел, в который нужно передвинуть информационный пакет для приближения его к пункту назначения. Такие сети называются сетями с коммутацией пакетов .

    Ethernet

    На рисунке показана схема сети Ethernet на коаксиальном кабеле. Сегмент кабеля на концах оборудован терминаторами (“заглушками”) для поглощения распространяемого сигнала (на рисунке терминаторы нарисованы чёрными квадратиками).

    Кабель при помощи Т-образного разъёма соединяет между собой сетевые адаптеры компьютеров.

    Принцип работы

    Любой участник может послать в сеть сообщение, но только тогда, когда в ней “тихо” — нет другой передачи.

    Например, узел 2 (см. рисунок выше) слушает сеть, и стартует передачу, начиная её адресами отправителя и получателя (“компьютер 2 передаёт сообщение для компьютера 4”).

    Передача распространяется по кабелю в обе стороны (поглощаясь терминаторами на концах), и все участники слышат её (в том числе и сам отправитель).

    Все, кроме компьютера 4, игнорируют передаваемые данные, обнаружив чужой адрес получателя, а компьютер 4 принимает данные полностью.

    Понятно, что при таком способе передачи нельзя допустить длительного захвата сети одним узлом. Если компьютер 2 задумает переслать компьютеру 4 большой файл, все остальные сетевые участники не скоро получат возможность начать передачу.

    В силу этой причины сообщения передаются разделёнными на пакеты (в технологии Ethernet они называются кадрами ). Длина пакета лежит в диапазоне от 64 до 1518 байтов.

    Передав один пакет, узел на некоторое время прерывает работу, и если в сети “тихо”, отправляет следующий пакет. Но паузой может воспользоваться другой узел и начать свой сеанс передачи. Таким образом, все узлы разделяют одну среду (кабель), имея равные возможности для посылки в сеть информационных пакетов.

    MAC-адреса

    Узлы в сети Ethernet адресуются при помощи 6-байтового двоичного числа, называемого MAC-адресом (Media Access Control — управление доступом к носителю).

    Обычно MAC-адрес записывают в виде шести пар шестнадцатеричных цифр, разделённых тире или двоеточиями, например, 10:A1:17:3D:56:AF .

    О компьютерной арифметике рассказывает теоретический материал к зачётам с номером 2 во втором и третьем уроках этой книги.

    Уникальный MAC-адрес “зашивается” в сетевой адаптер при его изготовлении. Он не может совпадать ни с каким другим MAC-адресом в мире и не может меняться во время эксплуатации устройства.

    Распределением MAC-адресов между производителями оборудования занимается международная некоммерческая организация IEEE (Institute of Elecrical and Electronics Engineers — Институт инженеров электротехники и электроники).

    MAC-адрес состоит из 48 бит, таким образом, адресное пространство насчитывает 2 48 (или 281 474 976 710 656) адресов. Согласно подсчётам IEEE, этого запаса адресов хватит, по меньшей мере, до 2100 года.

    Коллизии

    Компьютер 1 послушал сеть (свободна!) и начал передачу пакета:

    Сигнал не успел дойти до компьютера 5, когда тот тоже начал передачу, решив что сеть свободна:

    Понятно, что через некоторое время в сети произойдёт наложение сигналов. Такая ситуация называется коллизией .

    Когда передающая станция обнаружит несовпадение переданного в сеть сигнала с полученным из сети, она фиксирует коллизию и обрывает передачу пакета согласно протоколу Ethernet.

    И компьютер 1, и компьютер 5 обрывают передачу, обнаружив коллизию.

    Коллизия в сети Ethernet не является исключительным событием — это обычная рабочая ситуация.

    Вопрос в том, как долго ждать узлу, чтобы попытаться вновь передать в сеть испорченный коллизией пакет? Если ждать фиксированный промежуток времени, то коллизия со 100% вероятностью возникнет вновь (компьютеры 1 и 5 одновременно возобновят передачу, если одновременно прервали её из-за коллизии).

    В протоколе Ethernet пауза после обнаружения коллизии выбирается из интервала от 0 до 52,4 мс случайным образом.

    Как это не покажется странным, именно случайная пауза после коллизии обеспечивает работоспособность сети Ethernet. Этот простейший механизм обработки коллизий был предложен в далёких 70–х годах и успешно работает до сих пор!

    Диаметр сети

    Что произойдёт, если кабель длинный, а пакет маленький?

    Коллизия может возникнуть после того, как узел завершит передачу пакета.

    На рисунке показана именно такая ситуация. Коллизия происходит, когда узел 1 закончил передачу пакета:

    Такая коллизия называется поздней . При поздней коллизии пакет пропадает безвозвратно (узел 1 считает, что передача пакета произошла успешно и удаляет его из своей буферной памяти).

    Для нормальной работы сети необходимо, чтобы передающая станция могла обнаружить коллизию до того, как закончит передачу пакета в сеть. Такая коллизия называется ранней . При ранней коллизии узел передаёт испорченный пакет заново после случайной паузы.

    Для предотвращения поздних коллизий приходится ограничивать длину кабеля величиной, при которой время передачи пакета наименьшей длины (64 байт) было бы больше удвоенного времени прохождения сигнала по всей длине кабеля.

    Почему в расчёт берётся удвоенная длина кабеля?

    Пусть узел 1, расположенный на одном конце кабеля, начал передачу пакета. Передача должна продолжаться всё время, за которое первый переданный сигнал достигнет узла 5 на противоположном конце кабеля и вернётся назад, искажённый коллизией (ведь может случиться, что узел 5 начнёт свою передачу за мгновение до прихода к нему сигнала от узла 1). То есть необходимо учитывать прохождение сигнала по удвоенной длине кабеля.

    Ограничение диаметра сети Ethernet величиной 2 500 м как раз и основано на расчёте такой длины кабеля, при которой в сети не могла бы возникнуть поздняя коллизия, даже при передаче самого короткого пакета между двумя крайними станциями. Стандарт называет величину 2 500 м с хорошим запасом (более чем в три раза).

    При передаче сигнала по кабелю возникает его ослабление (затухание). Приходится делить кабель на сегменты и соединять их между собой повторителями .

    Повторитель (repeater) — это простое электронное устройство (без всякого программного обеспечения), которое усиливает сигнал при передаче его из одного сегмента кабеля в другой.

    На рисунке показана сеть, в которой кабель состоит из трёх сегментов, соединённых двумя повторителями:

    Для разного типа кабеля стандарт определяет разные величины для максимальной длины сегмента:

    Стандарты физической среды

    В зависимости от типа используемого кабеля, технология Ethernet предусматривает несколько вариантов стандарта, основанных на свойствах физической среды передачи данных.

    • 10Base-5 — коаксиальный кабель диаметром 0,5 дюйма, называемый “толстым”.
    • 10Base-2 — коаксиальный кабель диаметром 0,25 дюйма, называемый “тонким”.
    • 10Base-T — неэкранированная витая пара.
    • 10Base-F — волоконно-оптический кабель.

    Число 10 в указанных обозначениях обозначает битовую скорость передачи в этих стандартах — 10 Мбит/с.

    Стандарт 10Base-5

    В качестве передающей среды используется коаксиальный кабель диаметром 0,5 дюйма.

    Кабель такой “толстый”, что в отличие от стандарта 10Base-2 (с кабелем диаметра 0,25 дюйма), его сложно подсоединять непосредственно к сетевому адаптеру компьютера. Поэтому “толстый” коаксиал соединяют с адаптером при помощи трансивера и дополнительного соединительного шнура на витых парах (длиной до 50 м).

    Трансивер — это не просто механический соединитель (как Т-образный разъем для тонкого коаксиала). Фактически, трансивер — это часть сетевого адаптера, вынесенного прямо на кабель. С кабелем трансивер обычно соединяется методом прокалывания.

    Сети по этому стандарту строятся по топологии общая шина, которую иллюстрируют все приведенные выше рисунки. Кабель делится на сегменты, длиной не более 500 метров. Сегменты соединяются между собой повторителями.

    К одному сегменту допускается подключение не более 100 станций, причём подключение выполняется в специально промаркированных точках на кабеле (маркеры располагаются через каждые 2,5 м).

    Стандарт разрешает использовать в сети не более 4 повторителей и, соответственно, не более 5 сегментов кабеля (получается, что максимальный диаметр сети 10Base-5 не превышает 2500 м).

    Только 3 сегмента из 5 могут быть нагруженными (с подключёнными рабочими станциями). Между нагруженными сегментами должны быть ненагруженные. Максимальная конфигурация сети 10Base-5 показана на рисунке:

    Говорят, что сеть Ethernet 10Base-5 строится по правилу 5–4–3 : пять сегментов, четыре повторителя, три нагруженных сегмента.

    Так как одно подсоединение к кабелю в сегменте занято повторителем, то для рабочих станций остаётся 99 кабельных маркеров. Таким образом, в такой сети может работать 99 х 3 = 297 компьютеров.

    Стандарт 10Base-2

    В качестве передающей среды используется коаксиальный кабель диаметром 0,25 дюйма, более дешёвый, но имеющий худшие характеристики.

    Топология: общая шина.

    Ниже показан вид Т-образного разъёма. Он подключается к сетевой карте и соединяет фрагменты кабеля:

    По-прежнему работает правило 5–4–3: пять сегментов, четыре повторителя, три нагруженных сегмента.

    Ниже приводится сравнительная таблица стандартов, основанных на “толстом” и “тонком” коаксиальном кабеле.

    Стандарт 10Base-T

    Среда передачи — две неэкранированные витые пары, то есть 4 проводника, скрученных попарно между собой. Одна пара работает на приём, другая на передачу.

    Соединение узлов топологически выглядит как звезда, в центре которой расположен хаб (hub, буквально — ступица колеса). Другие названия хаба: многопортовый повторитель , концентратор .

    Сетевой кабель подсоединяется к хабу при помощи портов (соединительных разъёмов):

    На рисунке показана сеть с хабом, у которого четыре порта. К каждому порту подсоединён сетевой адаптер рабочей станции.

    Несмотря на то, что физические соединения в изображённой сети образуют звезду, принципиально она не отличается от сети с общей шиной: хаб объединяет компьютеры общей разделяемой средой. Говорят, что физическая топология сети — звезда, логическая — общая шина.

    Сигнал, полученный с одного порта, транслируется на все другие порты (кроме порта, с которого он получен), и сеть работает по прежнему протоколу:

    1. Если в сети “тишина”, можно начать передачу пакета.
    2. Если обнаружена коллизия, нужно прекратить передачу.
    3. Через случайную паузу нужно повторить передачу испорченного пакета.

    Стандарт определяет длину сегмента (длину кабеля от станции до хаба) не более 100 метров.

    Сеть можно расширить, соединяя хабы между собой (при помощи тех же портов) в древовидную структуру:

    Но и в этой сети по-прежнему одна разделяемая среда, то есть логически она работает, как общая шина по старому алгоритму. Говорят, что вся сеть представляет собой один домен коллизий (все узлы этой сети конкурируют за общую разделяемую среду передачи).

    Построение сети в виде дерева, листья которого — рабочие станции (или сервера), а остальные узлы — хабы, удобно на практике.

    Разрыв сети на отдельной ветви не мешает работе других ветвей дерева (в отличие от соединений по общей шине) и, кроме того, иерархия соединений может повторять иерархию пользователей сети или их пространственного положения.

    На рисунке, расположенном ниже, приведёна схема школьной сети Ethernet в которой к корневому школьному хабу подсоединены хабы трёх компьютерных классов и две рабочих станции — один компьютер в кабинете директора, другой в учительской.

    В стандарте 10Base-T работает правило 4 хабов : максимальное количество хабов между любыми двумя станциями сети не должно быть больше четырёх (иначе сеть работать не будет из-за поздних коллизий).

    Общее количество станций в сети 10Base-T не должно превышать числа 1024. Это количество, прописанное в стандарте, определяет предельную нагрузку сети, при которой она ещё будет функционировать, несмотря на обилие возможных коллизий.

    Ниже показан пример сети, в которой это количество станций может быть достигнуто:

    Из правила 4 хабов следует, что в сети 10Base-T между любыми двумя станциями не может быть более 5 сегментов. Получается, что максимальный диаметр такой сети не превышает 5 х 100 = 500 м.

    Диаметр сети может быть существенно увеличен, если в качестве соединительного устройства использовать не хаб, а коммутатор . Другие названия этого устройства: мост (bridge), переключатель (switch).

    Коммутатор своими портами разбивает сеть на несколько частей, в каждой из которых — свой домен коллизий.

    Происходит так потому, что коммутатор, в отличие от хаба, не транслирует полученный пакет на другие порты, если получатель находится на том же самом порту, с которого получен пакет.

    Сеть 1 на рисунке построена полностью на хабах. Пакет от узла A для узла B будет распространяться хабами по всем направлениям и достигнет всех узлов этой сети. При этом передача, начатая любым другим узлом (например, C), может испортить пакет A (возникнет коллизия). Сеть 1 образует один домен коллизий.

    В сети 2 корневой хаб заменён коммутатором. Пакет от узла A для узла B не будет передан коммутатором на порт 2 и не может быть причиной коллизии в подсети с хабом 2. Сеть 2 образует два домена коллизий. Правило 4 хабов будет работать отдельно для двух её частей. Получается, что сети с коммутаторами можно строить очень большого диаметра, без угроз поздних коллизий и длительного ожидания паузы для начала передачи.

    А что произойдёт, когда узел A передаёт пакет для узла C в сети с коммутатором? Коммутатор обязан передать этот пакет в порт 2. Он сделает это по алгоритму работы рабочей станции. То есть дождётся тишины в этой подсети, затем начнёт передачу. Если какой то узел в подсети 2 тоже начнёт посылку, возникнет коллизия, но она останется внутренним делом второго домена и не выйдет за его пределы.

    Возникает вопрос: откуда коммутатор знает, что узел B подключён к порту 1 (и пакет к нему из порта 1 не надо транслировать на другие порты), а узел C подключён к порту 2 (и пакет к нему из порта 1 надо транслировать на порт 2)?

    В отличие от хаба, коммутатор обладает “интеллектом” (микропроцессором с программным обеспечением), который позволяет ему автоматически строить таблицу соответствий между узлами и портами (таблицу маршрутизации ) и использовать её при своей работе.

    Рассмотрим алгоритм работы коммутатора на примере сети, изображённой на рисунке:

    В начальный момент (при включении питания) таблица маршрутизации коммутатора пуста.

    Пусть, узел A передаёт пакет для узла B. Пакет содержит не только адрес получателя, но и адрес отправителя. Когда пакет приходит на порт 1, коммутатор делает в таблице первую запись:

    Теперь коммутатор ищет в таблице строчку для узла B, чтобы решить, что делать с пакетом: игнорировать, если B расположен на том же порту, что и A, или транслировать пакет в порт, к которому подключён B.

    Строки с узлом B в таблице ещё нет. Коммутатор вынужден работать как хаб: он транслирует пакет к неизвестному адресату на все порты, кроме того порта, с которого пакет получен, то есть на порты 2 и 3.

    Пусть теперь узел F передаёт пакет для узла A.

    В таблице появляется новая строка:

    Коммутатор находит в таблице порт получателя и передаёт пакет в порт 1.

    Таким образом, заполняется таблица маршрутизации, и коммутатор, начав как обычный хаб, быстро обучается, повышая свою “квалификацию”.

    Ещё большим интеллектом обладает устройство под названием маршрутизатор (другое название — роутер, от английского слова router).

    Это устройство позволяет строить сети с ячеистой топологией и коммутировать в ней пакеты, выбирая наиболее рациональные маршруты.

    Стандарт 10Base-F

    В качестве единой разделяемой среды передачи используется оптоволоконный кабель.

    Сеть 10Base-F строится по тем же правилам и из тех же элементов, что и сеть 10Base-T.

    По-прежнему работает правило 4 хабов для одного домена коллизий.

    Максимальная длина сегмента сети — 2000 м. Максимальный диаметр одного домена коллизий — 2500 м. Максимальное число рабочих станций в нём — 1024.

    Fast Ethernet

    Скорость передачи данных в сетях, построенных по этому стандарту — 100 Мбит/c.

    Логика работы сетей Fast Ethernet и Ethernet совершенно одинаковая. Все отличия лежат на физическом уровне построения сети.

    В 10 раз увеличилась скорость передачи сигнала, значит, в 10 раз должен уменьшиться максимальный диаметр одного разделяемого сегмента (чтобы избежать в нём поздних коллизий).

    Признаком свободного состояния среды в Fast Ethernet является передача специального символа простоя источника (а не отсутствие сигнала, как в стандарте классической Ethernet).

    Коаксиальный кабель исключён из списка разрешённых сред передачи. Стандарт Fast Ethernet установил три спецификации:

    • 100Base-TX — неэкранированная или экранированная витая пара (две пары в кабеле).
    • 100Base-T4 — неэкранированная витая пара (четыре пары в кабеле).
    • 100Base-FX — волоконно-оптический кабель (с двумя волокнами).

    Максимальные длины для кабельных сегментов приводятся в таблице:

    (Полудуплексный канал работает на передачу и приём по очереди, а дуплексный — одновременно).

    Правило 4 хабов для Fast Ethernet превращается в правило одного или двух хабов (в зависимости от класса хаба).

    100Base-TX

    Среда передачи — 2 витых пары в одной общей оболочке.

    100Base-T4

    Среда передачи — 4 витых пары в одной общей оболочке.

    Три пары используются для параллельной передачи сигнала со скоростью 33,3 Мбит/с (всего получается 100 Мбит/с), четвёртая пара всегда “слушает” сеть на предмет обнаружения коллизий.

    100Base-FX

    Среда передачи — оптоволоконный кабель с двумя волокнами.

    Gigabit Ethernet

    Скорость передачи данных в сетях, построенных по этому стандарту — 1000 Мбит/c.

    Поддерживаются кабели, используемые в Fast Ethernet: волоконно-оптический, витая пара.

    Для предотвращения поздних коллизий длина сегмента кабеля должна уменьшиться в 10 раз по сравнению со стандартом Fast Ethernet, но это было бы неприемлемо. Вместо этого в технологии Gigabit Ethernet увеличена длина минимального пакета с 64 байтов до 512 байт и, кроме того, разрешено передавать несколько пакетов подряд (общий размер — не более 8192 байт). Конечно, это увеличивает ожидание паузы для начала передачи, но на скорости 1000 Мбит/c эта задержка не слишком существенна.

    Для поддержки заявленной скорости передачи, в технологии Gigabit Ethernet применяются и некоторые другие технические решения, но структура сети остаётся прежней:

    • дерево разделяемых сред;
    • для соединения узлов в одном домене коллизий используются хабы;
    • коммутаторы и маршрутизаторы соединяют домены коллизий.

    10G Ethernet

    Скорость передачи данных в сетях, построенных по этому стандарту — 10 000 Мбит/c.

    Технология построения сети 10G Ethernet принципиально отличается от других Ethernet-технологий.

    Сети 10G Ethernet — это сети с коммутацией пакетов .

    Если в сетях с разделяемыми средами пакет, переданный одной станцией, поступает на все другие станции, то в коммутируемых сетях пакет следует от передающей станции к станции назначения по маршруту, который уточняется по мере продвижения пакета от одного маршрутизатора к другому.

    Сеть с разделяемыми средами, построенная только на хабах и коммутаторах, должна иметь строго иерархическую структуру: на схеме соединений не должно быть циклов.

    Сеть, приведённая на рисунке, имеет иерархическую структуру. Между любыми двумя узлами существует ровно один путь, например, путь от А к Б пролегает через узлы: А–2–1–3–5–Б:

    На следующем рисунке показана сеть с циклом. Между узлами А и Б теперь имеются два пути: А–2–1–3–5–Б и А–5–Б:

    Сети с коммутацией пакетов могут иметь ячеистую структуру, в которой между двумя станциями может существовать два и более вариантов прохождения пакета.

    Ячеистые сети более надежны: если один маршрут перестаёт работать по техническим причинам, для доставки пакета выбирается другой.

    Сети с коммутацией пакетов имеют бóльшую пропускную способность по сравнению с сетями на разделяемых средах (пакеты не транслируются во все стороны, а следуют строго к пункту назначения; станции передают, не дожидаясь тишины в сети).

    В качестве проводящей среды в сетях 10G Ethernet используют оптоволоконный кабель и кабель с витыми парами.

    Длина сегмента оптического кабеля может достигать 40 км, а длина сегмента витой пары — 100 м. Причина ограничения длины кабеля теперь не в поздних коллизиях (при коммутации пакетов коллизий не бывает), а в затухании сигнала при его прохождению по кабелю.

    Что такое Ethernet

    Ethernet – это наиболее распространённая технология организации локальных сетей. Стандарты Ethernet описывают реализацию двух первых уровней модели OSI – проводные соединения и электрические сигналы (физический уровень), а так же форматы блоков данных и протоколы управления доступом к сети (канальный уровень). Начнём с идеи, лежащей в основе Ethernet. Название Ethernet произошло от двух английских слов – ether (эфир) и net (сеть). Ethernet использует концепцию общего эфира. Каждый ПК посылает данные в этот эфир и указывает, кому они адресованы. Данные могут дойти до всех ПК сети, но обрабатывает их только тот ПК, которому они предназначены. Остальные ПК чужие данные игнорируют. Такая работа аналогична эфиру радиостанций. Все радиостанции транслируют свои передачи в общее электромагнитное поле – радиоэфир. Ваш радиоприёмник получает электромагнитные сигналы всех станций. Но слушаете вы не всё сразу, а ту станцию, которая вам нужна.

    История Ethernet

    Ethernet был разработан в 70-х годах XX века в Xerox PARC (Xerox Palo Alto Research Center) – научно-исследовательском центре Xerox. Может показаться неожиданным, что ведущую сетевую технологию разработала компания по производству копировальной техники. Тем не менее, в Xerox PARC в 70-е годы были разработаны: лазерный принтер, концепция ноутбука, графический интерфейс (1973 год, за 12 лет до выхода Windows 1.0), принцип WYSIWYG и многое другое. Однако руководство Xerox проявляло интерес только к разработкам в области печати/сканирования/копирования. Поэтому сейчас многие изобретения Xerox PARC ассоциируются с совсем другими именами. Так что помните – изобретение классной вещи само по себе ничего не гарантирует. Убедить остальных в том, что она классная, и запустить её на рынок – не менее сложные задачи.

    Вернёмся к сетям. В начале 80-х годов Ethernet проходит стандартизацию. Появляется группа стандартов IEEE 802.3, описывающая Ethernet и по сей день. Тут опять надо сделать лирическое отступление и поговорить немного про стандартизацию. Сейчас в мире существует много организаций, принимающих стандарты. Например, наш Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации выпускает государственные стандарты (ГОСТы). Название организации обычно отображается в названии стандарта. Так, упомянутую группу стандартов IEEE 802.3 разработал и принял IEEE – Институт инженеров по электротехнике и электронике (Institute of Electrical and Electronics Engineers). Силы закона стандарты сейчас не имеют, применять их или нет – личное дело каждого. Но, если стандарт принят авторитетной организацией (IEEE – очень авторитетная организация), и его уже поддержали ведущие производители (за спиной первых стандартов Ethernet стояли DEC, Intel и Xerox), то лучше стандарта придерживаться. Иначе оборудование будет не совместимо с упомянутыми организациями, и его никто не купит.

    Стандарт, который разработали DEC, Intel и Xerox, реализовывал общий эфир в прямом смысле слова. 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.

    В ранних сетях Ethernet коаксиальный кабель являлся носителем общего электромагнитного эфира. ПК подключались к общему кабелю с помощью специальных коннекторов. Такая структура соединения называется шинной, а сам общий кабель называют «шина».

    Каждый ПК отправлял в шину электрические сигналы, все остальные ПК их получали. Дальше ПК должен был определить, кому реально этот сигнал адресован, и, соответственно, свои сигналы обработать, а чужие – проигнорировать. Несмотря на то, что Ethernet на коаксиальном кабеле уже давно не используется, механизм адресации данных и концепция общего эфира сохранились без изменений.

    MAC-адреса

    Рассмотрим подробнее, как на канальном уровне Ethernet данные из общего эфира распределяются по адресатам. Начнём, собственно, с адресации. На канальном уровне обмен данными идёт между сетевыми интерфейсами (network interface), то есть теми компонентами оборудования, которые физически соединены с сетью. Как правило, одно устройство имеет один сетевой интерфейс, то есть одно физическое соединение. Однако бывают и устройства с несколькими интерфейсам, например, в ПК можно поставить несколько сетевых контроллеров (network interface controller, NIC) и каждый подсоединить к сети. Поэтому в общем случае не следует путать устройства и их сетевые интерфейсы.

    Все интерфейсы в пределах сети имеют собственные уникальные идентификаторы – MAC-адреса (Media Access Control address, адрес управления доступом к носителю данных). В сетях Ethernet используются 48-битные MAC-адреса. Их принято записывать в 16-ричной форме, разделяя байты знаком: или -. Например, 00-18-F3-05-19-4F.



    Как правило, производитель раз и навсегда записывает MAC-адрес в оборудование при его изготовлении, и поменять MAC-адрес нельзя. Уникальность адресов достигается следующим образом. Первые 3 байта адреса обозначают производителя устройства и называются уникальным идентификатором организации (Organizationally Unique Identifier, OUI). Назначаются они не произвольно, их выдаёт IEEE. Любая организация, решившая производить сетевые интерфейсы, регистрируется в IEEE и получает свой идентификатор, уникальность которого гарантирует IEEE. Список уже розданных идентификаторов можно просмотреть на сайте IEEE . Последние 3 байта MAC-адреса производитель назначает сам и за их уникальностью следит тоже сам. Таким образом, при соблюдении производителями стандартов, ни у каких двух сетевых интерфейсов в мире MAC-адреса не совпадают. Ключевое слово – при соблюдении стандартов. Технически возможно изготовить интерфейс с произвольным MAC-адресом. Однако ни к чему хорошему это не приведёт.

    Как не трудно догадаться, MAC-адреса нужны не сами по себе. MAC-адреса позволяют указать, кому именно предназначены данные, отправленные в общий эфир. Реализовано это следующим образом.

    Данные в эфир передаются не однородным потоком, а блоками. Блоки эти на канальном уровне принято называть кадрами (frame). 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. Это примерно как если бы мы что-нибудь, на пример уголь, перевозили по аварийной железной дороге. Сначала мы бы загрузили уголь в вагоны. Вагоны имеют собственный вес, бесполезный для нас, но без вагонов по железной дороге перемещаться нельзя. Каждый вагон либо успешно целиком доедет в пункт назначения, либо попадёт в аварию и не доедет. Не бывает так, чтобы полвагона доехало, а полвагона осталось на разбитых путях.

    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.

    Концепция эфира, MAC-адреса и Ethernet-кадры реализуют второй (канальный) уровень модели OSI. Этот уровень не претерпел изменений со времён первых стандартов Ethernet. Однако физический уровень сети Ethernet изменился радикально.

    EtherNet стандарт IEEE 802.3

    Это самый распространенный на сегодняшний день стандарт технологии сети.

    Особенности:

    • работает с коаксиальным кабелем, витой парой, оптическими кабелями;
    • топология – шина, звезда;
    • метод доступа – CSMA/CD.

    Архитектура сетевой технологии Ethernet фактически объединяет целый набор стандартов, имеющих как общие черты, так и отличия.

    Технология Ethernet была разработана вместе со многими первыми проектами корпорации Xerox PARC. Общепринято считать, что Ethernet был изобретён 22 мая 1973 года, когда Роберт Меткалф составил докладную записку для главы PARC о потенциале технологии Ethernet. Но законное право на технологию Меткалф получил через несколько лет. В 1976 году он и его ассистент Дэвид Боггс издали брошюру под названием «Ethernet: Distributed Packet Switching For Local Computer Networks». Меткалф ушёл из Xerox в 1979 году и основал компанию 3Com для продвижения компьютеров и локальных вычислительных сетей. Ему удалось убедить DEC, Intel и Xerox работать совместно и разработать стандарт Ethernet (DIX). Впервые этот стандарт был опубликован 30 сентября 1980 года .

    Дальнейшее развитие технологии EtherNet:

    • 1982-1993 разработка 10Мбит/с EtherNet;
    • 1995-1998 разработка Fast EtherNet;
    • 1998-2002 разработка GigaBit EtherNet;
    • 2003-2007 разработка 10GigaBit EtherNet;
    • 2007-2010 разработка 40 и 100GigaBit EtherNet;
    • 2010 по сей день разработка Terabit Ethernet.

    На уровне MAC, который обеспечивает доступ к среде и передаче кадра, для идентификации сетевых интерфейсов узлов сети используются регламентированные стандартом уникальные 6-байтовые адреса, называемые MAC-адресами. Обычно MAC-адрес записывается в виде шести пар шестнадцатеричных цирф, разделенных тире или двоеточиями, например 00-29-5E-3C-5B-88. Каждый сетевой адаптер имеет MAC-адрес.

    Структура MAC-адреса Ethernet:

    • первый бит MAC-адреса получателя называется битом I/G (individual/group или широковещательным). В адресе источника он называется индикатором маршрута от источника (Source Route Indicator);
    • второй бит определяет способ назначения адреса;
    • три старших байта адреса называются защитным адресом (Burned In Address, BIA) или уникальным идентификатором организации (Organizationally UniqueIdentifier, OUI);
    • за уникальность младших трех байт адреса отвечает сам производитель.

    Некоторые сетевые программы, в частности wireshark, могут сразу отображать вместо кода производителя - название фирмы производителя данной сетевой карты.

    Формат кадра технологии EtherNet

    В сетях Ethernet существует 4 типа фреймов (кадров):

    • кадр 802.3/LLC (или кадр Novell802.2),
    • кадр Raw 802.3 (или кадр Novell 802.3),
    • кадр Ethernet DIX (или кадр Ethernet II),
    • кадр Ethernet SNAP.

    На практике в оборудовании EtherNet используется только один формат кадра, а именно кадр EtherNet DIX, который иногда называют кадром по номеру последнего стандарта DIX.

    • Первые два поля заголовка отведены под адреса:
      • DA (Destination Address) – MAC-адрес узла назначения;
      • SA (Source Address) – MAC-адрес узла отправителя. Для доставки кадра достаточно одного адреса – адреса назначения, адрес источника помещается в кадр для того, чтобы узел, получивший кадр, знал, от кого пришел кадр и кому нужно на него ответить.
    • Поле T (Type) содержит условный код протокола верхнего уровня, данные которого находятся в поле данных кадра, например шестнадцатеричное значение 08-00 соответствует проколу IP. Это поле требуется для поддержки интерфейсных функций мультиплексирования и демультиплексирования кадров при взаимодействии с протоколами верхних уровней.
    • Поле данных. Если длина пользовательских данных меньше 46 байт, то это поле дополняется до минимального размера байтами заполнения.
    • Поле контрольной последовательности кадра (Frame Check Sequence, FCS) состоит из 4 байт контрольной суммы. Это значение вычисляется по алгоритму CRC-32.

    Кадр EtherNet DIX (II) не отражает разделения канального уровня EtherNet на уровень MAC и уровень LLC: его поля поддерживают функции обоих уровней, например интерфейсные функции поля T относятся у функциям уровня LLC, в то время как все остальные поля поддерживают функции уровня MAC.

    Рассмотрим формат кадра EtherNet II на примере перехваченного пакета с помощью сетевого анализатора Wireshark

    Обратите внимание, что так как MAC адрес состоит из кода производителя и номера интерфейса, то сетевой анализатор сразу преобразует код производителя в название фирмы-изготовителя.

    Таким образом в технологии EtherNet в качестве адреса назначения и адреса получателя выступают MAC адреса.

    Стандарты технологии Ethernet

    Физические спецификации технологии Ethernet включают следующие среды передачи данных.

    • l0Base-5 - коаксиальный кабель диаметром 0,5 дюйма (1дм=2,54см), называемый «толстым» коаксиальным кабелем, с волновым сопротивлением 50Ом.
    • l0Base-2 - коаксиальный кабель диаметром 0,25 дюйма, называемый «тонким» коаксиальным кабелем, с волновым сопротивлением 50Ом.
    • l0Base-T - кабель на основе неэкранированной витой пары (Unshielded Twisted Pair, UTP), категории 3,4,5.
    • l0Base-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.

    Кабель 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.

    l0Base-2

    Кабель 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.

    l0Base-T

    Образует 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.
    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).

    10Base-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.

    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.

    Таблица. Параметры спецификаций физического уровня для стандарта Ethernet

    При рассмотрении правила «5-4-3» или «4-х хабов», в случае появления на пути распространения по кабелям воображаемого сигнала устройства типа «свич», расчет топологических ограничений начинается с нуля.

    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.

    Ethernet (читается эзернет , от лат. aether - эфир) - пакетная технология передачи данных преимущественно локальных
    .

    Стандарты Ethernet определяют проводные соединения и электрические сигналы на физическом уровне, формат
    кадров и протоколы управления доступом к среде - на канальном уровне модели OSI. Ethernet в основном
    описывается стандартами IEEE группы 802.3. Ethernet стал самой распространённой технологией ЛВС в середине
    90-х годов прошлого века, вытеснив такие устаревшие технологии, как Arcnet, FDDI и Token ring.

    История создания

    Технология Ethernet была разработана вместе со многими первыми проектами корпорации Xerox PARC.
    Общепринято считать, что Ethernet был изобретён 22 мая 1973 года, когда Роберт Меткалф (Robert Metcalfe)
    составил докладную записку для главы PARC о потенциале технологии Ethernet. Но законное право на
    технологию Меткалф получил через несколько лет. В 1976 году он и его ассистент Дэвид Боггс (David Boggs)
    издали брошюру под названием «Ethernet: Distributed Packet-Switching For Local Computer Networks».

    Меткалф ушёл из Xerox в 1979 году и основал компанию 3Com для продвижения компьютеров и локальных
    вычислительных сетей (ЛВС). Ему удалось убедить DEC, Intel и Xerox работать совместно и разработать
    стандарт Ethernet (DIX). Впервые этот стандарт был опубликован 30 сентября 1980 года. Он начал
    соперничество с двумя крупными запатентованными технологиями: token ring и ARCNET, - которые вскоре были похоронены под накатывающимися волнами продукции Ethernet. В процессе борьбы 3Com стала основной компанией в этой отрасли.

    Технология

    В стандарте первых версий (Ethernet v1.0 и Ethernet v2.0) указано, что в качестве передающей среды
    используется коаксиальный кабель, в дальнейшем появилась возможность использовать витую пару и оптический
    кабель.

    Причинами перехода на были:

    • возможность работы в дуплексном режиме;
    • низкая стоимость кабеля «витой пары»;
    • более высокая надёжность сетей при неисправности в кабеле;
    • большая помехозащищенность при использовании дифференциального сигнала;
    • возможность питания по кабелю маломощных узлов, например IP-телефонов (стандарт Power over Ethernet, POE);
    • отсутствие гальванической связи (прохождения тока) между узлами сети. При использовании коаксиального кабеля в российских условиях, где, как правило, отсутствует заземление компьютеров, применение коаксиального кабеля часто сопровождалось пробоем сетевых карт, и иногда даже полным «выгоранием» системного блока.

    Причиной перехода на оптический кабель была необходимость увеличить длину сегмента без повторителей.

    Метод управления доступом (для сети на ) - множественный доступ с контролем несущей и
    обнаружением коллизий (CSMA/CD, Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), скорость передачи
    данных 10 Мбит/с, размер пакета от 72 до 1526 байт, описаны методы кодирования данных. Режим работы
    полудуплексный, то есть узел не может одновременно передавать и принимать информацию. Количество узлов в
    одном разделяемом сегменте сети ограничено предельным значением в 1024 рабочих станции (спецификации
    физического уровня могут устанавливать более жёсткие ограничения, например, к сегменту тонкого коаксиала
    может подключаться не более 30 рабочих станций, а к сегменту толстого коаксиала - не более 100). Однако
    сеть, построенная на одном разделяемом сегменте, становится неэффективной задолго до достижения
    предельного значения количества узлов, в основном по причине полудуплексного режима работы.

    В 1995 году принят стандарт IEEE 802.3u Fast Ethernet со скоростью 100 Мбит/с и появилась возможность
    работы в режиме полный дуплекс. В 1997 году был принят стандарт IEEE 802.3z Gigabit Ethernet со скоростью
    1000 Мбит/с для передачи по оптическому волокну и ещё через два года для передачи по витой паре.

    Разновидности Ethernet

    В зависимости от скорости передачи данных и передающей среды существует несколько вариантов технологии.
    Независимо от способа передачи стек сетевого протокола и программы работают одинаково практически во
    всех ниже перечисленных вариантах.

    Большинство Ethernet-карт и других устройств имеет поддержку нескольких скоростей передачи данных,
    используя автоопределение (autonegotiation) скорости и дуплексности, для достижения наилучшего
    соединения между двумя устройствами. Если автоопределение не срабатывает, скорость подстраивается под
    партнёра, и включается режим полудуплексной передачи. Например, наличие в устройстве порта Ethernet
    10/100 говорит о том, что через него можно работать по технологиям 10BASE-T и 100BASE-TX, а порт
    Ethernet 10/100/1000 - поддерживает стандарты 10BASE-T, 100BASE-TX и 1000BASE-T.
    Ранние модификации Ethernet

    • Xerox Ethernet - оригинальная технология, скорость 3Мбит/с, существовала в двух вариантах Version 1 и Version 2, формат кадра последней версии до сих пор имеет широкое применение.
    • 10BROAD36 - широкого распространения не получил. Один из первых стандартов, позволяющий работать на больших расстояниях. Использовал технологию широкополосной модуляции, похожей на ту, что используется
      в кабельных модемах. В качестве среды передачи данных использовался коаксиальный кабель.
    • 1BASE5 - также известный, как StarLAN, стал первой модификацией Ethernet-технологии, использующей витую пару. Работал на скорости 1 Мбит/с, но не нашёл коммерческого применения.

    10 Мбит/с Ethernet

    • 10BASE5, IEEE 802.3 (называемый также «Толстый Ethernet») - первоначальная разработка технологии со скоростью передачи данных 10 Мбит/с. Следуя раннему стандарту IEEE использует коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50 Ом (RG-8), с максимальной длиной сегмента 500 метров.
    • 10BASE2, IEEE 802.3a (называемый «Тонкий Ethernet») - используется кабель RG-58, с максимальной длиной сегмента 185 метров, компьютеры присоединялись один к другому, для подключения кабеля к сетевой
      карте нужен T-коннектор, а на кабеле должен быть BNC-коннектор. Требуется наличие терминаторов на каждом
      конце. Многие годы этот стандарт был основным для технологии Ethernet.
    • StarLAN 10 - Первая разработка, использующая витую пару для передачи данных на скорости 10 Мбит/с.

    В дальнейшем эволюционировал в стандарт 10BASE-T.

    Несмотря на то, что теоретически возможно подключение к одному кабелю (сегменту) витой пары более чем
    двух устройств, работающих в симплексном режиме, такая схема никогда не применяется для Ethernet, в
    отличие от работы с . Поэтому, все сети на витой паре используют топологию «звезда»,
    в то время как, сети на коаксиальном кабеле построены на топологии «шина». Терминаторы для работы по
    витой паре встроены в каждое устройство, и применять дополнительные внешние терминаторы в линии не нужно.

    • 10BASE-T, IEEE 802.3i - для передачи данных используется 4 провода кабеля витой пары (две скрученные пары) категории-3 или категории-5. Максимальная длина сегмента 100 метров.
    • FOIRL - (акроним от англ. Fiber-optic inter-repeater link). Базовый стандарт для технологии Ethernet, использующий для передачи данных оптический кабель. Максимальное расстояние передачи данных без повторителя 1 км.
    • 10BASE-F, IEEE 802.3j - Основной термин для обозначения семейства 10 Мбит/с ethernet-стандартов, использующих оптический кабель на расстоянии до 2 километров: 10BASE-FL, 10BASE-FB и 10BASE-FP. Из перечисленного только 10BASE-FL получил широкое распространение.
    • 10BASE-FL (Fiber Link) - Улучшенная версия стандарта FOIRL. Улучшение коснулось увеличения длины сегмента до 2 км.
    • 10BASE-FB (Fiber Backbone) - Сейчас неиспользуемый стандарт, предназначался для объединения повторителей в магистраль.
    • 10BASE-FP (Fiber Passive)- Топология «пассивная звезда», в которой не нужны повторители - никогдане применялся.

    Быстрый Ethernet (Fast Ethernet, 100 Мбит/с)

    • 100BASE-T - общий термин для обозначения стандартов, использующих в качестве среды передачи данных . Длина сегмента до 100 метров. Включает в себя стандарты 100BASE-TX, 100BASE-T4 и 100BASE-T2.
    • 100BASE-TX, IEEE 802.3u - развитие стандарта 10BASE-T для использования в сетях топологии «звезда». Задействована витая пара категории 5, фактически используются только две неэкранированные пары проводников, поддерживается дуплексная передача данных, расстояние до 100 м.
    • 100BASE-T4 - стандарт, использующий витую пару категории 3. Задействованы все четыре пары проводников, передача данных идёт в полудуплексе. Практически не используется.
    • 100BASE-T2 - стандарт, использующий витую пару категории 3. Задействованы только две пары проводников. Поддерживается полный дуплекс, когда сигналы распространяются в противоположных направлениях по каждой паре. Скорость передачи в одном направлении - 50 Мбит/с. Практически не используется.
    • 100BASE-SX - стандарт, использующий многомодовое волокно. Максимальная длина сегмента 400 метров в полудуплексе (для гарантированного обнаружения коллизий) или 2 километра в полном дуплексе.
    • 100BASE-FX - стандарт, использующий одномодовое волокно. Максимальная длина ограничена только
      величиной затухания в оптическом кабеле и мощностью передатчиков, по разным материалам от 2х до 10
      километров
    • 100BASE-FX WDM - стандарт, использующий одномодовое волокно. Максимальная длина ограничена только
      величиной затухания в волоконно-оптическом кабеле и мощностью передатчиков. Интерфейсы бывают двух
      видов, отличаются длиной волны передатчика и маркируются либо цифрами (длина волны) либо одной латинской
      буквой A(1310) или B(1550). В паре могут работать только парные интерфейсы: с одной стороны передатчик
      на 1310 нм, а с другой - на 1550 нм.
    Гигабитный Ethernet (Gigabit Ethernet, 1 Гбит/с)
    • 1000BASE-T, IEEE 802.3ab - стандарт, использующий витую пару категорий 5e. В передаче данных участвуют 4 пары. Скорость передачи данных - 250 Мбит/с по одной паре. Используется метод кодирования PAM5, частота основной гармоники 62,5 МГц. Расстояние до 100 метров
    • 1000BASE-TX был создан Ассоциацией Телекоммуникационной Промышленности (англ. Telecommunications
      Industry Association, TIA) и опубликован в марте 2001 года как «Спецификация физического уровня
      дуплексного Ethernet 1000 Мб/с (1000BASE-TX) симметричных кабельных систем категории 6
      (ANSI/TIA/EIA-854-2001)» (англ. «A Full Duplex Ethernet Specification for 1000 Mbis/s (1000BASE-TX)
      Operating Over Category 6 Balanced Twisted-Pair Cabling (ANSI/TIA/EIA-854-2001)»). Стандарт, использует
      раздельную приёмо-передачу (по одной паре в каждом направлении), что существенно упрощает конструкцию
      приёмопередающих устройств. Ещё одним существенным отличием 1000BASE-TX является отсутствие схемы
      цифровой компенсации наводок и возвратных помех, в результате чего сложность, уровень энергопотребления
      и цена процессоров становится ниже, чем у процессоров стандарта 1000BASE-T. Но, как следствие, для
      стабильной работы по такой технологии требуется кабельная система высокого качества, поэтому 1000BASE-TX
      может использовать только кабель 6 категории. На основе данного стандарта практически не было создано
      продуктов, хотя 1000BASE-TX использует более простой протокол, чем стандарт 1000BASE-T, и поэтому может
      использовать более простую электронику.
    • 1000BASE-X - общий термин для обозначения стандартов со сменными приёмопередатчиками GBIC или SFP.
    • 1000BASE-SX, IEEE 802.3z - стандарт, использующий многомодовое волокно. Дальность прохождения
      сигнала без повторителя до 550 метров.
    • 1000BASE-LX, IEEE 802.3z - стандарт, использующий одномодовое волокно. Дальность прохождения
      сигнала без повторителя до 5 километров.


    • используется.
    • 1000BASE-CX - стандарт для коротких расстояний (до 25 метров), использующий твинаксиальный кабель
      с волновым сопротивлением 75 Ом (каждый из двух волноводов). Заменён стандартом 1000BASE-T и сейчас не
      используется.
    • 1000BASE-LH (Long Haul) - стандарт, использующий одномодовое волокно. Дальность прохождения
      сигнала без повторителя до 100 километров.

    10-гигабитный Ethernet

    Новый стандарт 10-гигабитного Ethernet включает в себя семь стандартов физической среды для LAN, MAN и
    WAN. В настоящее время он описывается поправкой IEEE 802.3ae и должен войти в следующую ревизию
    стандарта IEEE 802.3.

    • 10GBASE-CX4 - Технология 10-гигабитного Ethernet для коротких расстояний (до 15 метров), используется медный кабель CX4 и коннекторы InfiniBand.
    • 10GBASE-SR - Технология 10-гигабитного Ethernet для коротких расстояний (до 26 или 82 метров, в
      зависимости от типа кабеля), используется многомодовое волокно. Он также поддерживает расстояния до 300
      метров с использованием нового многомодового волокна (2000 МГц/км).
    • 10GBASE-LX4 - использует уплотнение по длине волны для поддержки расстояний от 240 до 300 метров по многомодовому волокну. Также поддерживает расстояния до 10 километров при использовании одномодового
      волокна.
    • 10GBASE-LR и 10GBASE-ER - эти стандарты поддерживают расстояния до 10 и 40 километров
      соответственно.
    • 10GBASE-SW, 10GBASE-LW и 10GBASE-EW - Эти стандарты используют физический интерфейс, совместимый
      по скорости и формату данных с интерфейсом OC-192 / STM-64 SONET/SDH. Они подобны стандартам 10GBASE-SR,
      10GBASE-LR и 10GBASE-ER соответственно, так как используют те же самые типы кабелей и расстояния передачи.
    • 10GBASE-T, IEEE 802.3an-2006 - принят в июне 2006 года после 4 лет разработки. Использует
      экранированную витую пару. Расстояния - до 100 метров.
    Похожие статьи
     
    Категории
    Видеоматериалы
    Популярное
    Новое