Сеть Ethernet. Структурная организация. Виды и технические характеристики. Формат кадра. Принцип функционирования.
Одной из первых среди ЛВС шинной структуры была создана сеть Ethernet, разработанная фирмой Xerox. В этой сети был применен метод доступа МДКН/ОК. Позднее Ethernet стала основой стандарта IEEE 802/3. Другой вариант шинных ЛВС соответствует стандарту IEEE 802/4, описывающему сеть с эстафетной передачей маркера.
Технология Ethernet наиболее распространена в ЛВС. Так, по данным на 1996 г. 85% всех компьютеров в ЛВС были в сетях Ethernet.
На базе проекта сети Ethernet разрабатывается оборудование для ЛВС рядом фирм. В настоящее время унифицировано несколько вариантов сети Ethernet, различающихся топологией и особенностями физической среды передачи данных.
1. Вариант Thick Ethernet (шина "с толстым" кабелем); принятое обозначение варианта 10Base-5, где первый элемент "10" характеризует скорость передачи данных по линии 10 Мбит/с, последний элемент "5" - максимальную длину сегмента (в сотнях метров), т.е. 500 м; другие параметры: максимальное число сегментов 5; максимальное число узлов на одном сегменте 100; минимальное расстояние между узлами 2,5 м. Здесь под сегментом кабеля понимается часть кабеля, используемая в качестве линии передачи данных и имеющая на концах согласующие элементы (терминаторы) для предотвращения отражения сигналов.
2. Вариант Thin Ethernet (шина "с тонким" кабелем, cheapernet); принятое обозначение 10Base-2: максимальное число сегментов 5; максимальная длина сегмента 185 м; максимальное число узлов на одном сегменте 30; минимальное расстояние между узлами 0,5 м; скорость передачи данных по линии 10 Мбит/с.
Рис. 4.3. Среда передачи данных на витой паре и концентраторах
3. Вариант Twisted Pair Ethernet (топология "звезда"); принятое обозначение 10Base-Т; это кабельная сеть с использованием витых пар проводов и концентраторов, называемых также распределителями, или хабами (Hubs). Представление о структуре сети может дать рис. 4.3. В состав сетевого оборудования входят активные (AH) и пассивные (PH) распределители (Active and Passive Hubs), различие между которыми заключается в наличии или отсутствии усиления сигналов и в количестве портов. В одной из разновидностей сети 10Base-T допускаются расстояния между активными распределителями до 600 м и между пассивными до 30 м, предельное число узлов 100. Физическая организация линий связи в 10Base-T мало напоминает шину. Однако в такой сети вполне возможна реализация метода доступа МДКН/ОК, и для пользователя (любого отдельного узла) разветвленная сеть из витых пар и концентраторов, по которой происходит широковещательная передача, есть просто среда передачи данных, такая же, как шина. Поэтому по логической организации сеть 10Base-T есть сеть типа Ethernet. В то же время по своей топологии 10Base-T может быть вариантом "звезда", "дерево" и т.п. В этой сети не рекомендуется включать последовательно более 4-х хабов.
4. Вариант Fiber Optic Ethernet (шина на основе оптоволоконного кабеля), обозначение 10Base-F; применяется для соединений "точка-точка", например, для соединения двух конкретных распределителей в кабельной сети. Максимальные длины - в пределах 2...4 км. Цена приблизительно такая же, как и медного кабеля, но меньше габариты и масса, полная гальваническая развязка.
5. Вариант RadioEthernet (стандарт IEEE 802.11). Среда передачи данных - радиоволны, распространяющиеся в эфире. Структура сети может быть "постоянной" при наличии базовой кабельной сети с точками доступа от узлов по радиоканалам или "временной", когда обмены между узлами происходят только по радиоканалам, Применяется модифицированный метод МДКН/ОК, в котором вместо обнаружения конфликтов используется предотвращение конфликтов. Выполняется это тем, что узел, запрашивающий связь, посылает в эфир специальный кадр запроса, а передачу информации он может начать только после истечения межкадрового промежутка времени Т, если за время Т после запроса в эфире не было других запросов. Иначе попытка передачи откладывается на случайное время. Любой узел может посылать кадр запроса, только если за время Т перед этим в эфире не было других кадров запроса.
Предусмотрена посылка положительной квитанции от приемного узла, подтверждающая правильность приема кадра. Квитанция посылается с малой задержкой t после окончания приема. В этом интервале длительностью t конфликты невозможны, так как претенденты на передачу могут посылать кадры запроса только, если перед посылкой эфир свободен в течение интервала времени не менее Т (это условие выполняется и для узлов с отложенной из-за конфликта передачей), а t<T.
Стандарт 10Base-5
Стандарт 10Base-5 соответствует экспериментальной сети Ethernet фирмы Xerox и может считаться классическим Ethernet'ом. Он использует в качестве среды передачи данных коаксиальный кабель с диаметром центрального медного провода 2,17 мм и внешним диаметром около 10 мм ("толстый" Ethernet).
Кабель используется как моноканал для всех станций. Сегмент кабеля имеет максимальную длину 500 м (без повторителей) и должен иметь на концах согласующие терминаторы сопротивлением 50 Ом, поглощающие распространяющиеся по кабелю сигналы и препятствующие возникновению отраженных сигналов.
Различные компоненты сети, выполненной на толстом коаксиале, показаны на рисунке 5.
Станция должна подключаться к кабелю при помощи приемопередатчика - трансивера. Трансивер устанавливается непосредственно на кабеле и питается от сетевого адаптера компьютера. Трансивер может подсоединяться к кабелю как методом прокалывания, обеспечивающим непосредственный физический контакт, так и бесконтактным методом.
Трансивер соединяется с сетевым адаптером интерфейсным кабелем AUI (Attachment Unit Interface) длиной до 50 м, состоящим из 4 витых пар (адаптер должен иметь разъем AUI). Допускается подключение к одному сегменту не более 100 трансиверов, причем расстояние между подключениями трансиверов не должно быть меньше 2.5 м.
Рис. 5. Компоненты физического уровня сети стандарта
10 Base-5, состоящей из двух сегментов
Трансивер - это часть сетевого адаптера, которая выполняет следующие функции:
- прием и передача данных с кабеля на кабель,
- определение коллизий на кабеле,
- электрическая развязка между кабелем и остальной частью адаптера,
- защита кабеля от некорректной работы адаптера.
Последнюю функцию часто называют контролем болтливости (jabber control). При возникновении неисправностей в адаптере может возникнуть ситуация, когда на кабель будет непрерывно выдаваться последовательность случайных сигналов. Так как кабель - это общая среда для всех станций, то работа сети будет заблокирована одним неисправным адаптером. Чтобы этого не случилось, на выходе передатчика ставится схема, которая проверяет количество битов, переданных в пакете. Если максимальная длина пакета превышается, то эта схема просто отсоединяет выход передатчика от кабеля.
Упрощенная структурная схема трансивера показана на рисунке 7. Детектор коллизий определяет наличие коллизии в коаксиальном кабеле по повышенному уровню постоянной составляющей сигналов. Если постоянная составляющая превышает определенный порог, то значит на кабель работает более чем один передатчик.
К достоинствам стандарта 10Base-5 относятся:
- хорошая защищенность кабеля от внешних воздействий,
- сравнительно большое расстояние между узлами,
- возможность простого перемещения рабочей станции в пределах длины кабеля AUI.
Рис. 7. Структурная схема трансивера
К недостаткам следует отнести:
- высокую стоимость кабеля,
- сложность его прокладки из-за большой жесткости,
- наличие специального инструмента для заделки кабеля,
- при повреждении кабеля или плохом соединении происходит останов работы всей сети,
- необходимо заранее предусмотреть подводку кабеля ко всем возможным местам установки компьютеров.
Стандарт 10Base-2
Стандарт 10Base-2 использует в качестве передающей среды коаксиальный кабель с диаметром центрального медного провода 0,89 мм и внешним диаметром около 5 мм ("тонкий" Ethernet, волновое сопротивление кабеля 50 Ом). Максимальная длина сегмента без повторителей составляет 185 м, сегмент должен иметь на концах согласующие терминаторы 50 Ом.
Станции подключаются к кабелю с помощью T-коннектора, который представляет из себя тройник, один отвод которого соединяется с сетевым адаптером, а два других - с двумя концами разрыва кабеля. Максимальное количество станций, подключаемых к одному сегменту, 30. Минимальное расстояние между станциями - 1 м.
Этот стандарт очень близок к стандарту 10Base-5. Но трансиверы в нем объединены с сетевыми адаптерами за счет того, что более гибкий тонкий коаксиальный кабель может быть подведен непосредственно к выходному разъему платы сетевого адаптера, установленной в шасси компьютера. Кабель в данном случае "висит" на сетевом адаптере, что затрудняет физическое перемещение компьютеров.
Топология сегмента сети стандарта 10Base-2 показана на рисунке 8.
Рис. 8. Сеть стандарта 10Base-2
Реализация этого стандарта на практике приводит к наиболее простому решению для кабельной сети, так как для соединения компьютеров требуются только сетевые адаптеры и Т-коннекторы. Однако этот вид кабельных соединений наиболее сильно подвержен авариям и сбоям: кабель восприимчив к помехам, в моноканале имеется большое количество механических соединений (каждый T-коннектор дает три механических соединения, два из которых имеют жизненно важное значение для всей сети), пользователи имеют доступ к разъемам и могут нарушить целостность моноканала. Кроме того, эстетика и эргономичность этого решения оставляют желать лучшего, так как от каждой станции через T-коннектор отходят два довольно заметных провода, которые под столом часто образуют моток кабеля - запас, необходимый на случай даже небольшого перемещения рабочего места.
Общим недостатком стандартов 10Base-5 и 10Base-2 является отсутствие оперативной информации о состоянии моноканала. Повреждение кабеля обнаруживается сразу же (сеть престает работать), но для поиска отказавшего отрезка кабеля необходим специальный прибор - кабельный тестер.
Стандарт 10Base-T
Стандарт принят в 1991 году как дополнение к существующему набору стандартов Ethernet и имеет обозначение 802.3i.
Использует в качестве среды двойную неэкранированную витую пару (Unshielded Twisted Pair, UTP). Соединения станций осуществляются по топологии "точка - точка" со специальным устройством - многопортовым повторителем с помощью двух витых пар. Одна витая пара используется для передачи данных от станции к повторителю (выход Tx сетевого адаптера), а другая - для передачи данных от повторителя станции (вход Rx сетевого адаптера). На рисунке 9 показан пример трехпортового повторителя.
Многопортовые повторители в данном случае обычно называются концентраторами (англоязычные термины - hub или concentrator). Концентратор осуществляет функции повторителя сигналов на всех отрезках витых пар, подключенных к его портам, так что образуется единая среда передачи данных - моноканал (шина). Повторитель обнаруживает коллизию в сегменте в случае одновременной передачи сигналов по нескольким своим Rx входам и посылает jam-последовательность на все свои Tx выходы. Стандарт определяет битовую скорость передачи данных 10 Мб/с и максимальное расстояние отрезка витой пары между двумя непосредственно связанными узлами (станциями и концентраторами) не более 100 м при использовании витой пары качества не ниже категории 3.
Рис. 9. Сеть 10Base-T - один домен коллизий
Tx - передатчик, Rx - приемник
Возможно иерархическое соединение концентраторов в дерево (рис. 10). Для обеспечения синхронизации станций при реализации процедур доступа CSMA/CD и надежного распознавания станциями коллизий в стандарте определено максимально число концентраторов между любыми двумя станциями сети.
Рис. 2.10. Повторители (концентраторы)
Общее количество станций в сети 10Base-T не должно превышать 1024.
Сети, построенные на основе стандарта 10Base-T, обладают по сравнению с коаксиальными вариантами Ethernet'а многими преимуществами. Эти преимущества связаны с разделением общего физического кабеля на отдельные кабельные отрезки, подключенные к центральному коммуникационному устройству. И хотя логически эти отрезки попрежнему образуют общий домен коллизий, их физическое разделение позволяет контролировать их состояние и отключать в случае обрыва, короткого замыкания или неисправности сетевого адаптера на индивидуальной основе. Это обстоятельство существенно облегчает эксплуатацию больших сетей Ethernet, так как концентратор обычно автоматически выполняет такие функции, уведомляя при этом администратора сети о возникшей проблеме.
Стандарт 10Base-F
Стандарт 10Base-F использует в качестве среды передачи данных оптоволокно. Функционально сеть стандарта 10Base-F состоит из тех же элементов, что и сеть стандарта 10Base-T - сетевых адаптеров, многопортового повторителя и отрезков кабеля, соединяющих адаптер с портом повторителя. Как и при использовании витой пары, для соединения адаптера с повторителем используется два оптоволокна - одно соединяет выход Tx адаптера со входом Rx повторителя, а другое - вход Rx адаптера с выходом Tx повторителя.
Стандарт FOIRL (Fiber Optic Inter-Repeater Link) - это первый стандарт комитета 802.3 для использования оптоволокна в сетях Ethernet. Он гарантирует длину оптоволоконной связи между повторителями до 1 км при общей длине сети не более 2500 м. Максимальное число повторителей - 4.
Стандарт 10Base-FL предназначен для соединения конечных узлов с концентратором и работает с сегментами оптоволокна длиной не более 2000 м при общей длине сети не более 2500 м. Максимальное число повторителей - 4.
Стандарт 10Base-FB предназначен для магистрального соединения повторителей. Он позволяет иметь в сети до 5 повторителей при максимальной длине одного сегмента 2000 м и максимальной длине сети 2740 м. Повторители, соединенные по стандарту 10Base-FB постоянно обмениваются специальными последовательностями сигналов, отличающимися от сигналов кадров данных, для обнаружения отказов своих портов. Поэтому, концентраторы стандарта 10Base-FB могут поддерживать резервные связи, переходя на резервный порт при обнаружении отказа основного с помощью тестовых специальных сигналов. Концентраторы этого стандарта передают как данные, так и сигналы простоя линии синхронно, поэтому биты синхронизации кадра не нужны и не передаются. Стандарт 10Base-FB поэтому называют также синхронный Ethernet.
Стандарты 10Base-FL и 10Base-FB не совместимы между собой.
Метод доступа EtherNet.
Это метод доступа, разработанный фирмой Xerox в 1975 году, пользуется наибольшей популярностью. Он обеспечивает высокую скорость передачи данных и надежность.
Для данного метода доступа используется топология "общая шина". Поэтому сообщение, отправляемое одной рабочей станцией, принимается одновременно всеми остальными, подключенными к общей шине. Но сообщение, предназначенное только для одной станции (оно включает в себя адрес станции назначения и адрес станции отправителя). Та
станция, которой предназначено сообщение, принимает его, остальные игнорируют.
Метод доступа Ethernet является методом множественного доступа с прослушиванием несущей и разрешением коллизий (конфликтов) (CSMA/CD - Carier Sense Multiple Access with Collision
Detection).
Перед началом передачи рабочая станция определяет, свободен канал или занят. Если канал свободен, станция начинает передачу.
Ethernet не исключает возможности одновременной передачи сообщений двумя или несколькими станциями. Аппаратура автоматически распознает такие конфликты, называемые коллизиями. После обнаружения конфликта станции задерживают передачу на некоторое время. Это время
небольшое и для каждой станции свое. После задержки передача возобновляется.
Реально конфликты приводят к уменьшению быстродействия сети только в
том случае, если работает порядка 80-100 станций.