Технология Ethernet была разработана в исследовательском центре компании Xerox в 70-х годах и достигла своего нынешнего положения в 80-е годы. Впервые термин Ethernet был применен Робертом Меткалфом в заметке, написанной им в этом исследовательском центре в мае 1973 года.
В настоящее время термин Ethernet используется для описания всех сетей, работающих в соответствии с принципами CSMA/CD – множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий, что соответствует спецификации Ethernet IEEE 802.3. В модели OSI протокол CSMA/CD относится к доступу к среде. На этом уровне определяется формат, информация передается по сети, и способ, с помощью которого сетевое устройство получает доступ к сети (или управление сетью) для передачи данных.
CSMA/CD состоит из двух частей: Carrier Sense Multiple Access и Collision Detection. Первая определяет каким образом рабочая станция с сетевым адаптером «ловит» момент, когда ей лучше всего послать сообщение. В соответствии с протоколом, CSMA, рабочая станция вначале слушает сеть, чтобы определить, не передается ли в данный момент какое-либо другое сообщение. Если слышится несущий сигнал (carrier tone), то значит, в данный момент сеть занята другим сообщением – рабочая станция переходит в режим ожидания и находится в нем до тех пор, пока сеть не освободится. Когда в сети наступает молчание, станция начинает передачу. Вторая часть – Collision Detection – служит для разрешения ситуаций, когда две или более рабочих станций начнут передавать информацию одновременно. Если две станции начнут передавать свои пакеты одновременно, то передаваемые пакеты наложатся друг на друга и ни одно из сообщений не дойдет до получателя. Такую ситуацию называют конфликтом или коллизией. CD требует, что бы станция прослушала сеть так же и после передачи пакета. Если обнаруживается конфликт, то станция повторно передает пакет через, случайным образом выбранный, промежуток времени. Затем она снова проверяет на произошел ли конфликт. Термин «множественный доступ» подчеркивает тот факт, что все станции имеют одинаковое право на доступ к сети.
Если одна из станций обнаруживает коллизию, то она пошлет специальный сигнал всем остальным станциям в сети. При коллизии уничтожаются все данные в сети. После устранения коллизии станции пытаются передать все потерянные данные заново. Чтобы предотвратить одновременную передачу, был разработан специальным механизм прерываний, которые предписывает каждой станции выбрать случайный промежуток времени перед передачей данных. Станция, которой достался самый короткий временной интервал, первой получит право на доступ к сети, а остальные определят что сеть занята и будут ожидать. Единицей измерения времени является удвоенная величина распространения сигнала из конца в конец отрезка провода, которая примерно равна 51.2 мс. После первого конфликта станция ждет 0 или 1 временных интервалов, прежде чем попытается возобновить передачу. Если снова произошел конфликт, случайное число выбирается из интервала 0-7. после десяти последовательных конфликтов интервал выбора случайных чисел фиксируется и становится равным 0-1024. После 16 конфликтов контроллер сетевой платы отказывается от дальнейших попыток передать кадр и сообщает об этом компьютеру. Все дальнейшие действия по выходу из сложившейся ситуации осуществляются под управлением протоколов верхних уровней. Такой алгоритм позволяет разрешить коллизии. Когда конфликтующих станций немного.
Обнаружение конфликта основано на сравнении посланных сигналов и сигналов других рабочих станций. Аппаратное обеспечение станции должно во время передачи прослушивать кабель для обнаружения факта коллизии. Если сигнал, который станция регистрирует, отличается от переданного ею, значит, произошла коллизия. Поэтому должен существовать механизм, позволяющий различать сигналы в кабеле. Таким механизмом стало манчестерское кодирование и дифференциальное манчестерское кодирование.
При манчестерском кодировании каждый интервал времени, в течении которого происходит передача одного бита, разделяется на две половинки. Единичный бит кодируется высоким напряжением в первой половинке и низким во второй. Нулевой бить кодируется противоположным образом. Изменение напряжения в середине интервала позволяет принимающей стороне синхронизацию с передающей станцией.
Дифференциальное манчестерское кодирование представляет собой разновидность обычного манчестерского кодирования. В этом случае единичный бит характеризуется отсутствием изменения напряжения (напряжения в обеих половинках равны). Изменения напряжения в начале бита означает, что это нулевой бит.
Недостатком схемы манчестерского кодирование является необходимость удвоения ширины полосы пропускания по сравнению с прямым кодированием. Однако вследствие своей простоты манчестерское кодирование используется в стандарте 802.3. Уровни высокого и низкого напряжения составляют +0.85 В и -0.85 в. Прямое двоичное кодирование построено на кодировании нулевого бита нулевым напряжением (0 В), а единичного бита ненулевым положительным напряжением (5 В). Сеть Ethernet относится к категории широковещательных. В таких сетях все станции видят все кадры вне зависимости от того, являются ли они их получателями. Каждая станция должна проверять все кадры и отбирать из них те, которые предназначены именно ей.
В технологии Ethernet данные могут передаваться по коаксиальному или оптическому кабелю, а так же по витой паре. Чаще всего при построении локальных сетей по этой технологии оптический кабель используют при формировании магистрали сети, в то время как витая пара применяется при подключении станций и серверов. Спецификация Ethernet была создана тогда, когда для быстрой передачи данных были необходим коаксиальный кабель. Необходимость перехода на более дешевые телефонные кабели и попытка смягчить последствия разрыва коаксиального кабеля стали причинами появления спецификации 10Base – T IEEE 802.3. Эта спецификация определяла технологию Ethernet для сетей, построенных на базе неэкранированных витых пар и телефонных кабелей. При этом допускается звездообразная технология. Рассмотрим основные спецификации Ethernet:
— 10Base5. Как и первая версия Ethernet, эта спецификация в качестве среды передачи предусматривает толстый коаксиальный кабель на 50 Ом с двумя оболочками. Каждый коаксиальный камень в сети образует отдельный сегмент. Протяженность сегмента не может превышать 500 м а число узлов не должно превосходить 100. отрезок кабеля между двумя соседними узлами должен быть не менее 2.5 м. это позволяет уменьшить вероятность отражения и появления стоячих волн. Сетевой адаптер подключается к кабелю при помощи трансиверного кабеля и трансивера. Длинна трансиверного кабеля не должна превышать 50 м.
— 10Base2. Эта спецификация предусматривает использование тонкого коаксиального кабеля и коннекторов типа BNC-T, которые непосредственно связывают сетевой адаптер и кабель Ethernet. Такая схема исключает необходимость применения дорогостоящих трансиверов и трансиверных кабелей. Кроме того, значительно упрощается выполнение самой операции по подключению сетевого адаптера к кабелю. Этот стандарт известен как «тонкий Ethernet». Протяженность сегмента ограничена 185 м, а число узлов – 30.
— 10Base-T. Эта разновидность Ethernet получила наибольшее распространение в настоящее время. Буква Т в названии означает, что средой передачи является неэкранированная витая пара (Unshielded Twisted Pair, UTP). Спецификация предусматривает наличие концентратора при подключении пользователей по топологии «звезда». Применение дешевых кабелей UTP является одним из основных преимуществ данной спецификации. Подключение узлов к сети осуществляется при помощи телефонных гнезд RJ-45 и RJ-15 и четырех парного телефонного кабеля UTP. Протяженность отрезка кабеля от концентратора до рабочей станции не должна превышать 100 м (в случае UTP категории 3) или 150 м (в случае UTP категории 5).
— 10BaseF. Эта спецификация использует в качестве среды передачи оптоволоконный кабель. Применение оптоволоконной технологии привело к высокой стоимости комплектующих. Одна нечувствительность к электромагнитным помехам позволяет использовать спецификацию в особо ответственных случаях и для связи далеко расположенных друг от друга объектов.
Каждая из разновидностей Ethernet предусматривает те или иные ограничения на протяженность кабеля. Для создания более протяженной сети несколько кабелей могут соединяться при помощи повторителей. Повторитель представляет собой устройство физического уровня. Оно принимает, усиливает сигнал и передает его дальше. С точки зрения программного обеспечения последовательность кабельных сегментов, связанных с помощью повторителей, ничем не отличается от единого кабеля. Сеть может содержать несколько сегментов кабеля и несколько повторителей.
Теоретически производительность сети Ethernet составляет 10 Мбит/сек. Однако из-за коллизий технология Ethernet никогда не сможет достичь своей максимальной производительности. При увеличении числа станций в сети временные задержки между посылками отдельных пакетов по сети возрастают, так как количество коллизий увеличивается. Поэтому реальная производительность Ethernet не превышает 70% от теоретической производительности.
Можно проследить некоторую зависимость: в сетях с множественным доступом к среде передачи общий объем трафика растет пропорционально квадрату числа станций, в то время как объем полезного трафика увеличивается линейно. Это приводит к тому, что эффективность использования сети оказывается обратно пропорциональной числу станций. Учитывая квадратичный рост объема трафика, любое быстродействие сети оказывается исчерпанным достаточно быстро.
Для снижения нагрузки на сеть ее разбивают на сегменты с помощью мостов, коммутаторов и маршрутизаторов. Это позволяет передавать между сегментами только необходимый трафик. Данные. Передаваемые между двумя станциями в одном сегменте, не будут передаваться в другой, и следовательно, не вызовут в нем повышения нагрузки. Однако сегментация в традиционных сетях решает проблему. Связанную с множественным доступом только частично. Она позволяет сократить общий объем трафика между сегментами в число раз, примерно равное среднему количеству сегментов. Однако сегментация не устраняет саму тенденцию роста трафика. Линейный рост трафика достигается только в технологиях, ориентированных на установление соединения.
Форматы кадров Ethernet
Данные, передаваемые в сети Ethernet, разбиты на кадры. Так как существует несколько типов кадров, для того, что бы понять друг друга, отправитель и получатель должны использовать один и тот же тип кадра. Кадры могут быть четырех различных форматов, несколько отличающихся друг от друга. Базовых форматов кадров (raw formats) существует всего два – Ethernet II и Ethernet 802.3. эти форматы отличаются назначением всего одного поля.
Для успешной доставки информации получателю каждый кадр кроме данных должен содержать дополнительную служебную информацию: длину поля данных, физические адреса отправителя и получателя, тип сетевого протокола и т.д.
Существует четыре основных разновидности кадров Ethernet:
— Ethernet Type II
— Ethernet 802.3
— Ethernet 802.2
— Ethernet SNAP (SubNetwork Adress Protokol).
Рассмотрим поля, общие для всех четырех типов кадров:
| Преамбула (56 бит) |
| Признак начала кадра (8 бит) |
| Адрес получателя (48 бит) |
| Адрес отправителя (48 бит) |
| Длинна/тип (16 бит) |
| Данные (переменная длинна) |
| Контрольная сумма (32 бит) |
Рис. 11.1 – Формат кадра Ethernet
Поля в кадре имеют следующее значение:
— Поле «Преамбула» и «Признак начала кадра». Предназначены для синхронизации отправителя и получателя. Преамбула представляет собой 7-байтовую последовательность единиц и нулей. Признак начала кадра имеет длину 1 байт. Эти поля не принимаются в расчет, при вычислении длинны кадра.
— Поле «Адрес получателя». Состоит из 6 байт и содержит физический адрес устройства в сети, которому адресован данный кадр. Значения этого и следующего поля являются уникальными. Каждому производителю адаптеров Ethernet назначаются первые три байта адреса, а оставшиеся три байта определяет сам производитель. Например, для адаптеров фирмы 3Com физические адреса будут начинаться с 0020AF. Первый бит адреса получателя имеет специальное назначение, если он равен 0, то адрес конкретного устройства (только в этом случае первые три байта служат для идентификации производителя сетевой платы), а если 1 – широковещательный. Обычно в широковещательном адресе все оставшиеся биты тоже устанавливаются равными единице (FF FF FF FF FF FF).
— Поле «Адрес отправителя». Состоит из 6 байт и содержит физический адрес устройства в сети, которое отправило данный кадр. Первый бит адреса отправителя всегда равен нулю.
— Поле «Длинна/тип». Может содержать длину или тип кадра в зависимости от используемого кадра Ethernet. Если поле зает длину, она указывается в двух байтах. Если тип – то поле указывает на тип протокола верхнего уровня, которому принадлежит данный кадр. Например, при использовании протокола IPX поле имеет значение 8137, а для протокола IP – 0800.
— Поле «Данные». Содержит данные кадра. Чаще всего эта информация необходима протоколам верхнего уровня. Данное поле не имеет фиксированного размера.
— Поле «Контрольная сумма». Содержит результаты вычисления контрольной суммы всех полей за исключением преамбулы, признака начала кадра и самой контрольной суммы. Вычисление производится отправителем и добавляется в кадр. Аналогичная процедура вычисления производится и на устройстве получателя. В случае, если результат вычисления не совпадает со значением данного поля, предполагается, что произошла ошибка при передаче. В этом случае кадр считается испорченным и игнорируется.
Минимально допустимая длинна всех четырех типов кадров Ethernet составляет 64 байта, а максимальна – 1518 байт. Так как на служебную информацию в кадре отводится 18 байт, то поле «Данные» может принимать значение от 46 до 1500 байт. Если передаваемые данные меньше допустимой длинны. Кадр будет автоматически дополняться до 46 байт. Эти ограничения на минимальную длину кадра введены для обеспечения нормальной работы механизма обнаружения коллизий.
Рассмотрим более подробно форматы кадров различных типов. Тип кадра Ethernet II используется многими протоколами верхнего уровня, такими как TCP/IP, IPX и AppleTalk. Данный тип кадра был разработан такими фирмами как DEC, Intel и Xerox. Необходимо учитывать, что хотя данный тип кадра и является наиболее широко используемым, он не одобрен организациями IEEE и ISO. Формат данного типа кадра отличается от рассмотренного выше только тем, что в поле «Длинна/тип» всегда указывается тип протокола.
Сетевые операционные системы Novell Net Ware 2.x и 3.x (за исключением 3.12) по умолчанию используют кадр Ethernet 802.3. Хотя в названии этого кадра есть упоминание комитета IEEE, последний не имел никакого отношения к его разработке.
Данный тип кадра не содержит никакой информации о протоколе. Поле «Длинна/тип» всегда указывает длину кадра. В результате нет стандартных методов идентификации сетевого протокола, которому принадлежит данный кадр. Однако в соответствии с концепцией фирмы Novell, только протокол IPX может использоваться с данным типом кадров. Разработана специальная последовательность действий для определения того, что именно протокол IPX был инкапсулирован в кадр данного типа.
— Проверяется поле «Длинна/тип». Если оно содержит значение между 0 и 1518 (05ЕЕ), то данное поле определяет длину кадра, а не тип протокола (то есть это кадр Ethernet 802.3, в противном случае – Ethernet II).
— Проверяются следующие два байта за полем «Длинна/тип». Если они содержат FFFF, это означает, что кадр принадлежит протоколу IPX, так как заголовок этого протокола всегда начинается с FFFF.
В результате стандартизации сетей Ethernet подкомитетом IEEE 802.3 появился кадр Ethernet 802.2. этот кадр является базовым для операционных сиcтем Novell Net Ware 3.12 и 4.x. В данном типе кадра сразу же за полем адреса отправителя следует поле длинны, имеющее такое же назначение. кроме того, этот тип кадра содержит несколько дополнительных полей, рекомендованных IEEE 802.3. Эти поля располагаются за полем «Длинна/тип» и имеют следующее значение:
— Поле «DSAP» указывает на используемый получателем протокол сетевого уровня. Размер поля составляет 1 байт (один бит в нем зарезервирован). Для протокола IPX значение поля равно E0, для протоколов IP – 06, для NetBIOS – F0.
— Поле «SSAP» указывает на используемый отправителем протокол сетевого уровня. Размер поля составляет 1 байт (один бит из которого зарезервирован).
— Поле «Контроль» указывает на тип сервиса, требуемый для сетевого протокола. Размер данного поля составляет 1 байт.
Формат кадра Ethernet 802.2 имеет некоторые недостатки, в частности он содержит нечетное число байт служебной информации. Это не совсем удобно для работы большинства сетевых устройств. Кроме того, для идентификации протокола сетевого уровня отводится 7 бит, что позволяет поддерживать всего 128 различных протоколов. Кадр Ethernet SNAP, являющийся развитием спецификации Ethernet 802.2 содержит следующие дополнительные поля:
— Поле «Код организации» имеет длину три байта и содержит код организации (фирмы), которая присвоила значения поля «Идентификатор протокола». Если значение поля равно 000000, то поле «Идентификатор протокола» содержит значение, которое обычно помещается в поле «Длинна/тип», то есть идентификатор протокола верхнего уровня.
— Поле «Идентификатор протокола» имеет длину два байта и идентифицирует протокол верхнего уровня, инкапсулированный в поле «Данные» кадра. При использовании протокола IPX это поле содержит значение 8137.
В совокупности эти два поля составляют дополнительное пяти байтовое поле для идентификации протокола. Это было сделано для увеличения числа поддерживаемых протоколов.
