Тема 2. Технология Ethernet

технологий пакетной передачи данных для компьютерных 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. 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 Arcnet и Token ring.

Название «Ethernet» (буквально «эфирная сеть») 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 свитчи (коммутаторы), так что кадры, отправляемые одним узлом, доходят лишь до адресата (исключение составляют передачи на широковещательный адрес) — это повышает скорость работы и безопасность сети.

Ethernet - изначально коллизионная технология, основанная на общей шине, к которой компьютеры подключаются и «борются» между собой за право передачи пакета (рис. 1).

Рис.1 – Ethernet на общей шине в виде коаксиального кабеля

Коаксиальные кабели соединяются между собой посредством специальных Т-коннекторов и образуется сегмент сети.

Так как Ethernet – это коллизионная технология (в среде передачи возникают коллизии, которые образуются посредством накладывания двух сигналов), необходим метод, который позволяет обнаружить такие коллизии и купировать их. Таким методом управления средой стал множественный доступ с чувствительностью несущей (специальный сигнал, который несет полезный сигнал) и обнаружением коллизий (CSMA/CD – Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection). Метод заключается в следующем. Перед отправкой данных компьютер слушает среду. Если среда пустая, т.е. несущая отсутствует, он начинает передавать данные. В это время другой компьютер также хочет отправить данные. Слушает среду, но так как сигнал первого компьютера еще не дошел до него, то компьютер решает, что среда пустая и начинает свою отправку. Два сигнала встречаются, и происходит коллизия (столкновение) – накладка двух сигналов друг на друга. Сигнал искажается, и становится невозможным выделить наши полезные сигналы. Как только происходит коллизия, сразу прерывается передача данных. Компьютер, который заметил коллизию, отправляет в среду специальный jam-сигнал (32 бита), который говорит всем узлам, чтобы те не передавали данные. Затем все процессы утихают, проходит приблизительно 25 мкс и в среде снова можно передавать данные.

Режим работы сети на коаксиальном кабеле называется полудуплексным, т.к. одновременно может происходить только либо передача, либо прием сигнала (из-за того, что только один проводник используется в кабеле). Отсюда, дуплекс – способ передачи данных, в котором возможна отправка данных в обоих направлениях по одному каналу (кабелю).

В процессе развития Ethernet, сети стали строится на витой паре, что значительно улучшило работу сети, т.к. не было коллизий (в связи с тем, что появилась возможность полнодуплексной передачи – одновременной отправки и приема сигнала в одном кабеле, а именно: одна пара на прием и одна пара на передачу). Так Ethernet стал развиваться далее и появились новые модификации.

Разновидности Ethernet

- 10 Мбит/с Ethernet: 10Base2, 10Base5 и 10BaseT.

Первые две технологии предназначены были для коаксиального кабеля и на сегодняшний день редко используются. В названии 10 относится к скорости (10 Мбит/c), Base (с англ. baseband) – используется немодулированный сигнал (только один Ethernet сигнал), 2 и 5 – соответственно, идентифицируют «тонкий» и «толстый» коаксиал.

Тонкий Ethernet использует кабель типа RG-58A/V (диаметром 0,2 дюйма). Для маленькой сети используется кабель с сопротивлением 50 Ом. Коаксиальный кабель прокладывается от компьютера к компьютеру. У каждого компьютера оставляют небольшой запас кабеля на случай возможности его перемещения. Длина сегмента 185 м, количество компьютеров, подключенных к шине - до 30.

Толстый Ethernet - сеть на толстом коаксиальном кабеле, имеющем диаметр 0,4 дюйма и волновое сопротивление 50 Ом. Максимальная длина кабельного сегмента - 500 м.

При необходимости охватить локальной сетью площадь большую, чем это позволяют рассматриваемые кабельные системы, применяется дополнительные устройства - репитеры (повторители). Репитер имеет 2-портовое исполнение, т.е. он может объединить 2 сегмента по 185 м. Сегмент подключается к репитеру через Т-коннектор. К одному концу Т-коннектора подключается сегмент, а на другом ставится терминатор (заглушка).

В сети может быть не больше четырех репитеров. Это позволяет получить сеть максимальной протяженностью 925 м.

Существуют 4-портовые репитеры. К одному такому репитеру можно подключить сразу 4 сегмента.

10BaseT – первая технология, использующая витую пару (twisted pair – поэтому Т в названии). Витая пара - это два изолированных провода, скрученных между собой. Для Ethernet используется 8-жильный кабель, состоящий из четырех витых пар. Для защиты от воздействия окружающей среды кабель имеет внешнее изолирующее покрытие.

Основной узел на витой паре - hub (в переводе называется накопителем, концентратором или просто хаб). Каждый компьютер должен быть подключен к нему с помощью своего сегмента кабеля. Длина каждого сегмента не должна превышать 100 м. На концах кабельных сегментов устанавливаются разъемы RJ-45. Одним разъемом кабель подключается к хабу, другим - к сетевой плате. Разъемы RJ-45 очень компактны, имеют пластмассовый корпус и восемь миниатюрных площадок.

Хаб - центральное устройство в сети на витой паре, от него зависит ее работоспособность. Располагать его надо в легкодоступном месте, чтобы можно было легко подключать кабель и следить за индикацией портов.

Хабы выпускаются на разное количество портов - 8, 12, 16 или 24. Соответственно к нему можно подключить такое же количество компьютеров.

- Fast Ethernet (100 Мбит/с Ethernet): 100BaseT, 100BaseTX, 100BaseFX

- Gigabit Ethernet (1000 Мбит/c Ethernet): 1000BaseLX, 1000BaseSX (по оптике) и 1000BaseTX (для витой пары)

- Ethernet 10G (10 Гбит/с Ethernet)

- Ethernet 100G (100 Гбит/c Ethernet)

Формат кадра Ethernet

IFG (Inter Frame Gap) – межкадровый интервал – специальные 12 бит, которые разделяют кадры друг от друга. Необходим для того, чтобы какой либо из компьютеров не доминировал в сети посредством вечной отправки кадров. В этот промежуток могут начать передачу другие компьютеры.

Преамбула – 7 байтов (56 битов), которые помогают синхронизироваться в системе (в частности, после ошибок, задержек и т.д.). Все 7 байтов одинаковы и имеют вид 10101010.

SFD (Start of Frame Delimiter) – разделитель кадров. 1 байт, который анонсирует, что следующий за этим байтом бит будет битом кадра. Имеет вид 10101011.

Destination MAC – MAC-адрес получателя. 6 байтов, которые имеет каждое сетевое устройство (интерфейс). Записывается для удобства в виде 16-тичной системы (например, B0-45-C3-AA-9D-11). Каждый сетевой интерфейс имеет свой уникальный МАС-адрес. Структура МАС-адреса такова: 1-ый бит указывает на принадлежность получателя к группе (0 – если индивидуальный получатель, 1 – если кадр предназначается группе), 2-ой бит указывает на глобальность МАС-адреса (0 – глобальный, 1 – локальный (настроен администратором)), 22 бита – набор МАС-адресов, данный международной организацией IEEE всем организациям, выпускающим сетевую продукцию, оставшиеся 24 бита – уникальный ID сетевого устройства (интерфейса). Обычно, если первый бит 1, то все последующие биты также единицы. Полученный МАС-адрес называется широковещательным, то есть предназначен всем участникам и имеет вид FF-FF-FF-FF-FF-FF. Так как МАС-адрес это 48 битов, количество всех возможных МАС-адресов равно 2⁴⁸ или 281 474 976 710 656 адресов.

Source MAC – МАС-адрес отправителя. Здесь первый бит обязательно равен 0.

Тип протокола – 2 байта, которые указывают, какой из протоколов верхнего уровня инкапсулированы в поле данных. В большинстве случаев, в Ethernet-кадр упакованы данные IP протокола, поэтому эти два байта будут иметь вид 08 00 (также в 16-тичной системе).

Поле данных содержит от 46 до 1500 байтов полезной информации. Если информация весит меньше 46 байтов, происходит автозаполнение пустыми (не несущими информацию) битами поля до 46 байтов. Если информация больше 1500 байтов, то данные разбиваются на несколько фрагментов (процесс фрагментации) по 1500 байтов и остаток.

CRC (Cyclic Redundancy Checksum) или FCS (Frame Checking Sequency) – контрольная сумма кадра – 4 байта, которые компьютер-отправитель высчитывает специальным алгоритмом и добавляет в конец кадра. Компьютер-получатель, получив кадр, с помощью такого же алгоритма высчитывает эту сумму и сверяет ее с той, что записана в конце кадра. Если они совпадают, значит, кадр не искажен, и происходит его дальнейшая распаковка. Если не совпадают, то кадр был поврежден (с ошибками), и компьютер-отправитель удаляет его и запрашивает заново.

Сам кадр – это все поля, кроме преамбулы и SFD. Его минимальная длина составляет 64 байта (18 – заголовок, т.е. все поля, кроме поля данных, и 46 – данные), а максимальная, соответственно, – 1518.