Сети Ethernet

В основе технологии Ethernet лежит моноканал. Т.е. это сеть с селекцией информации. Изначально вся технология была разработана для локальных сетей, объединяющих компьютеры на расстоянии 10-100 м. Сейчас технология Ethernet позволяет строить коммуникационные подсети, связывающие компьютеры на расстоянии 40 км.

Ethernet (ether – эфир, net – сеть). Откуда появилось это название? Технология, которая была положена в основу сетей Ethernet, изначально разрабатывалась для радио сетей.

Ранние сети использовали для передачи именно фиксированную среду передачи – коаксиальный кабель, витую пару.

Когда говорят Ethernet, то под этим обычно понимают любой из вариантов этой технологии. В более узком смысле, Ethernet - это сетевой стандарт, основанный на технологиях экспериментальной сети Ethernet Network, которую фирма Xerox разработала и реализовала в 1975 году (еще до появления персонального компьютера). Метод доступа был опробован еще раньше: во второй половине 60-х годов в радиосети Гавайского университета использовались различные варианты случайного доступа к общей радио среде, получившие общее название Aloha. В 1980 году фирмы DEC, Intel и Xerox совместно разработали и опубликовали стандарт Ethernet версии II для сети, построенной на основе коаксиального кабеля. Поэтому стандарт Ethernet иногда называют стандартом DIX по заглавным буквам названий фирм.

На основе стандарта Ethernet DIX, комитет IEEE 802 - Institute of Electrical and Electronics Engineers (Институт инженеров по электротехнике и электронике) и создал стандарт, который описывает сети – моноканалы, работающие по тому же принципу, что и сети Ethernet.

Есть определенные различия между стандартом IEEE 802 и исходного описания Ethernet. Эти различия касаются формата кадров, некоторых особенностей протоколов. Эти отличия возникли из-за того, что ассоциация DIX после создания первоначального протокола продолжала работу по улучшению скоростей передачи, повышении надежности. В то же время разработчики стандарта 802 следовали коммерческим разработкам. Во многих пунктах описания Ethernet и IEEE 802 совпадают. Поэтому, с небольшой поправкой, можно сказать, что это одно и то же.

Почему говорят о комплексе стандартов? Группа 802 работала не только для стандартов для моноканальных сетей типа Ethernet, но и для циклических сетей, и сейчас создает и развивает стандарты для современных сетей. В частности 802.11 – WI-FI, 802.16 – WI-MAX. Сейчас ведется разработка новых стандартов.

Комплекс стандартов 802 описывает 2 уровня: физический и канальный. Причем канальный разбит на 2 уровня: нижний – уровень 2a и верхний – уровень 2b.

Уровень 2а – уровень управления доступом к среде (Media Access Control (MAC)). В нем описываются особенности доступа к сетям с конкретными видами среды распространения и различными видами доступа.

Уровень 2b – уровень управления логическим каналом (Logical Link Control (LLC)). В нем локализованы функции, общие для всех сетей.

Как устроены и работают сети Ethernet?

Как мы уже говорили, это моноканал, который, однако, может быть по-разному реализован.

Существует целое семейство спецификаций, описывающих работу сетей Ethernet в разных передающих средах. Изначально описывались сети Ethernet на базе толстого коаксиального кабеля. К нему подключалось специальное устройство – трансивер (transmitter + receiver).

Трансивер - это часть сетевого адаптера, которая выполняет следующие функции:

1) прием и передача данных с кабеля на кабель,

2) определение коллизий на кабеле,

3) электрическая развязка между кабелем и остальной частью адаптера,

4) защита кабеля от некорректной работы адаптера.

Через это устройство идет подключение к сетевому адаптеру компьютера. Станции подключаются через определенное фиксированное расстояние. С обеих сторон коаксиального кабеля устанавливаются специальные заглушки – терминаторы.

Данная схема довольно долго была единственной существующей. Она схема описывается спецификацией 10Base-5. Эта технология была довольно популярной, но и дороговатой.

Сеть могла состоять из нескольких таких сегментов – нескольких моноканалов, соединяемых репитерами (усилителями), которые принимая кадры из одного порта, усиливали сигналы и передавали их дальше.

Таким образом, 10Base-5 – коаксиальный кабель диаметром 0.5 дюйма, называемый "толстым" коаксиалом. Имеет волновое сопротивление 50 Ом. Максимальная длина сегмента - 500 метров (без повторителей).

К достоинствам стандарта 10Base-5 относятся:

1) хорошая защищенность кабеля от внешних воздействий,

2) сравнительно большое расстояние между узлами,

3) возможность простого перемещения рабочей станции в пределах длины кабеля AUI.

К недостаткам следует отнести:

1) высокую стоимость кабеля,

2) сложность его прокладки из-за большой жесткости,

3) наличие специального инструмента для заделки кабеля,

4) при повреждении кабеля или плохом соединении происходит останов работы всей сети,

5) необходимо заранее предусмотреть подводку кабеля ко всем возможным местам установки компьютеров

Следующий этап – создание сетей на основе тонкого коаксиального кабеля. Здесь функции трансивера были перенесены на сетевые адаптеры, и подключение кабеля к компьютеру происходит уже по более простой схеме.

Соответствующая спецификация имеет название 10Base-2.

10Base-2 - коаксиальный кабель диаметром 0.25 дюйма, называемый "тонким" коаксиалом. Имеет волновое сопротивление 50 Ом. Максимальная длина сегмента - 185 метров (без повторителей).

Таким образом, 10 в названии обозначает битовую скорость передачи данных этих стандартов – 10 Мб/с, а слово Base – сокращение от baseband – метод передачи на одной базовой частоте 10 МГц (в отличие от стандартов, использующих несколько несущих частот, которые называются broadband – широкополосными).

Следующий этап развития – использование неэкранированной витой пары (UTP) и сети на основе централизованной структуры.

Рассмотренные выше схемы обладают достаточно низкой надежностью. Достаточно произойти разрыву хотя бы в одном месте, выходит из строя вся сеть.

Hub работает также как и репитер. Если какая-то станция желает передать информацию какой-то одной из станций, подключенных Hub(у), она формирует кадр с указыванием адреса получателя, этот кадр передается по витой паре в Hub. Каждая станция имеет свой отдельный порт. Поступивший в Hub кадр затем ретранслируется во все остальные порты. Т.е. логика работы остается той же самой – моноканал – сеть с селекцией информации.

Это решение – стандарт 10Base-T.

Одна из версий объяснения буквы T в названии говорит о том, что на начальном этапе создания сетей на базе витой паре, в разных организациях и офисах для подключения компьютера к одному Hub(у) использовались существующие телефонные линии.

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 по-прежнему 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 использует в качестве среды передачи данных оптоволокно (fiber). 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.

Метод CSMA/CD (IEEE 802.3)

Carrier-Sense-Multiply-Access with Collision Detection

Множественный доступ с прослушиванием несущей и обнаружением коллизий

Данный метод описывает логику работы моноканалов с селекцией.

Довольно часто в описании этого метода присутствуют подобного рода блок-схемы.

Структурная схема алгоритма CSMA/CD (уровень MAC): при передаче кадра станцией

Структурная схема алгоритма CSMA/CD (уровень MAC): при приеме кадра станцией

Название метода расшифровывается как - Множественный доступ с прослушиванием несущей и обнаружением коллизий.

Множественный доступ означает, что все станции, подключенные к моноканалу, равноправны. Как происходит управления передачей? Централизованного управления, какой-то особой точки, из которой осуществлялось бы управление, нет. Функция управления сетью распределена по всем станциям. Каждая станция реализует свою часть общего алгоритма.

Допустим, какая-то станция хочет передать кадр (frame). В нем в заголовке указан адреса получателя и отправителя, а в информационной части хранится пакет. Внутри информационной части пакета хранится сообщение, в информационной части которого, в свою очередь, хранится, к примеру, запрос http.

Может ли начаться передача? Чисто теоретически – может. С другой стороны также может возникнуть ситуация, когда канал занят, т.е. какая-та другая станция уже проводит передачу. Поэтому, станции, желающие начать передачу, сначала анализируют, свободен или занят канал. Т.е. выполняют операцию «прослушивания несущей». Если опознается несущая (carrier-sense, CS), то станция откладывает передачу своего кадра до окончания чужой передачи, и только потом пытается вновь его передать.

Если же канал свободен, то станция начинает передачу. Все остальные станции, которые тоже могут передавать, прослушивают состояние канала. И как только они обнаруживают, что пошла передача, они начинают прием передаваемого сигнала, из которого они собирают 0 и 1. Из 0 и 1 уже собирают либо кадр целиком, либо его заголовок и анализируют его. Каждая станция по заголовку определяет, ей ли предназначен кадр. И та станция, которая узнает собственный адрес в заголовках кадра, записывает его содержимое в свой внутренний буфер, обрабатывает полученные данные и посылает по кабелю кадр-ответ. Адрес станции-источника также включен в исходный кадр, поэтому станция-получатель знает, кому нужно послать ответ. Если же кадр предназначается не ей, то кадр или его заголовок (в зависимости от того, что уже было принято) стирается и дальнейший прием невозможен.

Станция, осуществляющая передачу кадра, также осуществляет его прием и анализ. Если принятый сигнал совпадает с переданным, то это говорит о том, что в канале проходит тот самый сигнал, который эта станция передает, и никто больше в этот процесс не вмешивается, не происходит никаких искажений. Если это остается верным до окончания передачи, то считается, что кадр передан.

Чтобы корректно обработать коллизию, все станции одновременно наблюдают за возникающими на кабеле сигналами. Если передаваемые и наблюдаемые сигналы отличаются, то фиксируется обнаружение коллизии (collision detection, CD). Для увеличения вероятности немедленного обнаружения коллизии всеми станциями сети, ситуация коллизии усиливается посылкой в сеть станциями, начавшими передачу своих кадров, специальной последовательности битов, называемой jam-последовательностью.

В разных источниках встречается сравнение этого метода CSMA/CD с разговором нескольких человек в темной комнате. Света нет, никто не видит друг друга. Кто-то один начинает говорить, все остальные молчат и слушают. Или вдруг одновременно двое начинают говорить. Естественно, они начинают перебивать друг друга и замолкают.

После обнаружения коллизии передающая станция обязана прекратить передачу и ожидать в течение короткого случайного интервала времени, а затем может снова сделать попытку передачи кадра.

Теоретически может случиться так, что они будут выжидать одно и то же время и снова начать одновременную передачу, снова вызывая при этом коллизию. Для того чтобы свести к минимуму вероятность возникновения подобных ситуаций было предложено реализовать алгоритм двоичной экспоненциальной задержки.

После возникновения коллизии время делится на дискретные интервалы – интервалы отсрочки (slot time) – это время, в течение которого станция гарантированно может узнать, что в сети нет коллизии. Это время тесно связано с другим важным временным параметром сети – окном коллизий (collision window). Окно коллизий равно времени двукратного прохождения сигнала между самыми удаленными узлами сети – наихудшему случаю задержки, при которой станция еще может обнаружить, что произошла коллизия. Интервал отсрочки выбирается равным величине окна коллизий плюс некоторая дополнительная величина задержки для гарантии:

интервал отсрочки = окно коллизий + дополнительная задержка

Величина интервала отсрочки в стандарте 802.3 определена равной 512 битовым интервалам или 51,2 мкс, и эта величина рассчитана для максимальной длины коаксиального кабеля в 2.5 км. Величина 512 определяет и минимальную длину кадра в 64 байта, так как при кадрах меньшей длины станция может передать кадр и не успеть заметить факт возникновения коллизии из-за того, что искаженные коллизией сигналы дойдут до станции в наихудшем случае после завершения передачи. Такой кадр будет просто потерян.

После первого столкновения каждая станция ждет или 0 или 1 интервал, прежде чем попытаться передавать опять. Если две станции столкнутся и выберут одно и то же псевдослучайное число, то они столкнутся снова. После второго столкновения каждая станция выбирает случайным образом 0, 1, 2 или 3 интервала из набора (2² интервалов) и ждет опять. При третьем столкновении (вероятность такого события после двойного столкновения равна 1/4) интервалы будут выбираться в диапазоне от 0 до 2³ – 1.

Время паузы после N-ой коллизии полагается равным L интервалам отсрочки, где L - случайное целое число, равномерно распределенное в диапазоне [0, 2^N]. Величина диапазона растет только до 10 попытки, а далее диапазон остается равным [0, 2¹⁰], то есть [0, 1024]. После 16 столкновений подряд контроллер признает свое поражение и возвращает компьютеру ошибку. Дальнейшим восстановлением занимаются более высокие уровни.

приём

Граф состояний переходов – одна из вариаций блок-схем, представляющий метод CSMA/CD.

После запуска системы она находится в состоянии прослушивания. Допустим, поступил запрос на передачу кадра. Станция переходит в состояние ожидания. Если канал занят, то это ожидание может продлиться довольно долго, а может и случиться так, что станция сразу перейдет в состояние передачи. Это зависит от того, занята ли среда. Если передача происходит успешно, не возникает коллизий, то по команде «передача завершена» станция переходит в состояние прослушивания. А если же возникла коллизия, то станция из состояния передачи переходит в состояние задержки, где выполняется расчет задержки. По окончанию задержки, когда возникает событие «время задержки истекло», станция снова переходит в состояние ожидания. По окончанию приема возникает событие «кадр принят», которое переводит станцию в состояние прослушивания. В случае коллизии на приеме станция тоже переходит в состояние прослушивания.

Дата добавления: 2014-01-05