Что такое Ethernet и как он работает?

Ethernet — на нем основаны большинство сетей в наше время. Существует большое количество технологий, позволяю­щих соединить компьютеры в сеть. Каждая из них была раз­работана в разное время и предназначена для решения опре­деленной задачи.

Технология Ethernet охватывает сразу два нижних уровня модели OSI . Физический и канальный уровни. Далее будем говорить только о физическом уровне модели OSI, т.е. о том, как передаются биты данных между двумя соседними устройствами.

В настоящее время для построения локальных сетей ис­пользуют технологию Fast Ethernet , которая является новой реализацией технологии Ethernet .

Что такое Ethernet

Эта технология была разработана в 1970 г. исследователь­ским центром в Пало-Альто, который принадлежит корпора­ции Xerox, а в 1980 г. на ее основе была принята специфика­ция IEЕЕ 802.3.

Основной принцип работы, используемый в данной техно­логии, заключается в следующем. Для того чтобы начать пе­редачу данных в сети, сетевой адаптер компьютера «прослу­шивает» сеть на наличие какого-либо сигнала. Если его нет, то адаптер начинает передачу данных, если же сигнал есть, то передача откладывается на определенный интервал времени. Время монопольного использования разделяемой среды од­ним узлом ограничивается временем передачи одного кадра.

Кадр — это единица данных, которыми обмениваются ком­пьютеры в сети Ethernet. Кадр имеет фиксированный формат и наряду с полем данных содержит различную служебную ин­формацию, например адрес получателя и адрес отправителя. После того как адаптер отправителя поместил кадр в сеть, его начинают принимать все сетевые адаптеры. Каждый адаптер проводит анализ кадра, и если адрес совпадает с их собствен­ным адресом устройства (МАС-адрес), кадр помещается во внутренний буфер сетевого адаптера, если же не совпадает, то он игнорируется.

В том случае, если два или более адаптера, «прослушав» сеть, начинают передавать данные, возникает коллизия (collision ). Адаптеры, обнаружив коллизию, прекращают пе­редачу данных, а затем, повторно «прослушав» сеть, повто­ряют передачу данных через разные промежутки времени.

? ПРИМЕЧАНИЕ. Чтобы получить пакет данных, который предназначен для конкретного адаптера, он должен прини­мать все пакеты, которые появляются в сети.

Такой метод доступа к среде передачи данных получил на­звание CSMA / CD {carrier-sense multiple access/collision detect­ion) — множественный доступ с обнаружением несущей.

Что такое Ethernet — коллизии

Как следует из вышесказанного, при большом числе ком­пьютеров в сети. и при интенсивном обмене информацией очень быстро растет число коллизий. и как следствие, пропуск­ная способность сети падает. Не исключен случай, когда про­пускная способность может упасть до нуля. Но даже в сети где средняя нагрузка не превышает рекомендованную. Это 30-40% от общей полосы пропускания, скорость передачи со­ставляет 70-80% от номинальной.

Однако в настоящее время данную проблему почти решили. Поскольку разработали устройства, способные разде­лять потоки данных между теми компьютерами, для которых эти данные предназначаются. Другими словами, трафик между портами, подключенными к передающему и принимающему сетевым адаптерам, изолируется от других портов и адаптеров. Такие устройства называются коммутаторами (switch ).

Существуют различные реализации данной технологии -Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet. Например они могут обеспе­чивать скорость передачи данных 10, 100 и 1000 Мбит/с соот­ветственно.

Стандарт IЕЕЕ 802.3 содержит несколько спецификаций, отличающихся топологией и типом используемого кабеля. Например, 10 BASE-5 использует толстый коаксиальный ка­бель. 10 BASE-2 — тонкий кабель. А 10 BASE-F, 10 BASE-FB, 10 BASE-FL и FOIRL используют оптический кабель. Наибо­лее популярна спецификация IEЕЕ 802.3 100BASE-TX. В ко­торой для организации сети используется кабель на основе неэкранированных витых пар с разъемами RJ-45.

Реализации сети Ethernet

Перечисленные выше спецификации Ethernet можно опи­сать следующим образом. Первое число в имени спецификации, указывает максимальную скорость передачи данных. Например «10» обозначает скорость передачи сигнала 10 Мбит/с. «Base», означает использование в стандарте Baseband-технологии. Baseband — это узкополосная передача. При таком способе передачи данных по кабелю каждый бит данных кодируется. Он кодируется отдельным электрическим или световым импульсом. При этом весь кабель используется в качестве одного канала связи. Т.е. одновременная передача двух сигналов невозможна.

Первоначально последняя секция в названии специфика­ции предназначалась для отображения максимальной длины. Длины кабельного сегмента в сотнях метров. Это без концентраторов и коммутаторов. Однако для удобства и более полного опреде­ления сути стандарта все упростили. И теперь его названии цифры заменили буквами Т и F. Где Т обозначает twisted pair — витую пару, a F обозначает оптоволокно.

Таким образом, в настоящее время можно встретить сети, основанные на следующих спецификациях:

• 10Base-2 — 10 МГц Ethernet на коаксиальном кабеле с со­противлением 50 Ом, baseband. 10Base-2 известен как «тонкий Ethernet»;
• 10Base-5 — 10MHzEthernetна стандартном (толстом) коак­сиальном кабеле с сопротивлением 50 Ом, baseband;
• 10Base-T — 10MHz Ethernet по кабелю витая пара;
• 100 Base-TX — 100MHz Ethernet по кабелю витая пара.

Весьма существенным преимуществом различных вариан­тов Ethernet является обоюдная совместимость. Такая, которая по­зволяет использовать их совместно в одной сети. И в ряде слу­чаев даже не изменяя существующую кабельную систему.

ПОЛНОДУПЛЕКСНЫЙ РЕЖИМ

Стандарт технологии Fast Ethernet также включает в себя рекомендации. Рекомендации относительно обеспечения возможности полно-дуплексной работы (full — duplex mode ) при подключении сете­вого адаптера к коммутатору. Или же при непосредственном соединении коммутаторов между собой.

Суть полно-дуплексного режима заключается в возможно­сти одновременной передачи и приема данных по двум каналам. Тх (канал от передатчика к приемнику) и Rx(канал от приемника к передатчику). И при этом скорость передачи возрастает вдвое и достигает 200 Мбит/с.

На данный момент практически все производители сетевого оборудования заявляют следующее. Что их устрой­ства обеспечивают работу в полно-дуплексном режиме. Однако из-за разного толкования стандарта, в частности способов правления потоком кадров. Не всегда удается добиться кор­ректной работы этих устройств. И так же хороших скоростных пока­зателей.

Нашли помощь - поддержите проект!

Сделать это легко:

Поделись ссылкой с друзьями в соц.сетях!

Вконтакте

Днем рождения Ethernet можно считать 22 мая 1973 г., когда Роберт Меткалф (Robert Metcalfe) и Дэвид Боггс (David Boggs) опубликовали докладную записку, в которой описывалась экспериментальная сеть, построенная ими в Исследовательском центре фирмы Xerox в Пало-Альто. При рождении сеть получила имя Ethernet, базировалась на толстом коаксиальном кабеле и обеспечивала скорость передачи данных 2,94 Мбит/с. В декабре того же года Меткалф опубликовал докторскую работу "Packet Communication" ("Пакетная связь"), а в июле 1976 г. Меткалф и Боггс выпустили совместный труд "Ethernet: Distributed Packet Switching for Local Computer Networks" ("Ethernet: распределенная пакетная коммутация для локальных компьютерных сетей"). Таким образом, была создана теоретическая база для дальнейшего развития технологии. Ключевой фигурой в судьбе Ethernet становится Роберт Меткалф, который в 1979 г. для воплощения своих идей в жизнь создает собственную компанию 3Com, одновременно начиная работать консультантом в Digital Equipment Corporation (DEC). В DEC Меткалф получает задание на разработку сети, спецификации на которую не затрагивали бы патентов Xerox. Создается совместный проект Digital, Intel и Xerox, известный под названием DIX. Задачей консорциума DIX был перевод Ethernet из лабораторно-экспериментального состояния в технологию для построения новых систем, работающих с немалой на то время скоростью передачи данных 10 Мбит/с. Таким образом, Ethernet превращался из разработки Xerox в открытую и доступную всем технологию, что оказалось решающим в становлении его как мирового сетевого стандарта. В феврале 1980 г. результаты деятельности DIX были представлены в IEEE, где вскоре была сформирована группа 802 для работы над проектом. Ethernet закреплял свои позиции в качестве стандарта. Для успешного внедрения технологии важное значение сыграли дальнейшие шаги "родителей" Ethernet по взаимодействию с другими производителями чипов и аппаратного обеспечения - так, например, группа разработчиков Digital представила чип Ethernet и исходные тексты его программного обеспечения компаниям Advanced Micro Devices (AMD) и Mostek. В результате возможность производить совместимые чипсеты Ethernet получили и другие компании, что сказалось на качестве железа и снижении его стоимости. В марте 1981 г. 3Com представила 10 Мбит/с Ethernet-трансивер, а в сентябре 1982 г. - первый Ethernet-адаптер для ПК. После выхода первых изделий, в июне 1983 г. IEEE утвердил стандарты Ethernet 802.3 и Ethernet 10Base5. В качестве среды передачи предусматривался "толстый" коаксиальный кабель, а каждый узел сети подключался с помощью отдельного трансивера. Такая реализация оказалась дорогостоящей. Дешевой альтернативой с применением менее дорогого и более тонкого коаксиального кабеля, стал 10Base2 или ThinNet. Станции уже не требовали отдельных трансиверов для подключения к кабелю. В такой конфигурации Ehternet начал победное шествие по просторам экс-СССР. Главными его преимуществами была простота развертывания и минимальное количество активного сетевого оборудования. Сразу же определились и недостатки. На время подключения новых станций приходилось останавливать работу всей сети. Для выхода сети из строя достаточно было обрыва кабеля в одном месте, поэтому эксплуатация кабельной системы требовала от технического персонала проявлений прикладного героизма. Следующим шагом развития Ethernet стала разработка стандарта 10Base-T, предусматривавшего в качестве среды передачи неэкранированную витую пару (Unshielded Twisted Pair - UTP). В основу этого стандарта легли разработки SynOptics Communications под общим названием LattisNet, которые относятся к 1985 г. В 10Base-T использовалась топологии "звезда", в которой каждая станция соединялась с центральным концентратором (hub). Такой вариант реализации устранял необходимость прерывания работы сети на время подключения новых станций и позволял локализовать поиск обрывов проводки до одной линии концентратор-станция. Производители получили возможность встраивать в концентраторы средства мониторинга и управления сетью. В сентябре 1990 г. IEEE утверждает стандарт 10Base-T.

Здесь вам не Англия - копать надо глубже!
Военная мудрость

Ethernet 10Base5

Спецификация Ethernet 10Base5 предусматривает выполнение следующих условий:

• Среда передачи - "толстый" около 12 мм в диаметре коаксиальный кабель (RG-8 или RG-11) с волновым сопротивлением 50 Ом.
• Длина кабеля между соседними станциями не менее 2,5 м.
• Максимальная длина сегмента сети не более 500 метров.
• Общая длина всех кабелей в сегментах не более 2,500 метров.
• Общее число узлов на один сегмент сети не более 100.
• Сегмент оканчивается терминаторами, один из которых должен быть заземлен.
• Ответвительные кабели могут быть сколь угодно короткими, но расстояние от трансивера до адаптера не более 50 метров.
• В идеальном случае расстояние между соседними станциями должно быть кратно 2,5 м. Некоторые кабели имеют соответствующую маркировку через каждые 2,5 м для облегчения соблюдения этого условия.

Наибольшее распространение получило подключение трансивера к кабелю при помощи разъемов, имеющих веселенькое название "вампиры" (это из-за того, что при подключении разъем прокалывает кабель до центральной жилы). Подключение производится без остановки работы сети, в отличие от подключения через N-коннектор. Кабели в сегменте должны браться с одной катушки кабеля, что обеспечивает одинаковые электрические параметры всех подключаемых отрезков.

В трансивере находится активный приемо-передатчик с детектором коллизий и высоковольтным (1-5 кВ) разделительным трансформатором, питание обеспечивается от AUI-порта адаптера.

Основные преимущества 10Base5: большая длина сегмента, хорошая помехозащищенность кабеля и высокое напряжение изоляции трансивера. Благодаря этим качествам "толстый" Ethernet чаще всего применялся для прокладки базовых сегментов (Backbone). Сейчас этот стандарт практически полностью вытеснен более дешевыми и производительными реализациями Ethernet.

10Base2

Ограничения по спецификации Ethernet 10Base2:

• Среда передачи - "тонкий" (около 6 мм в диаметре) коаксиальный кабель (RG-58 различных модификаций) с волновым сопротивлением 50 Ом.
• Длина кабеля между соседними станциями не менее 0,5 м.
• Максимальная длина сегмента сети не более 185 метров.
• Общая длина всех кабелей в сегментах (соединенных через повторители) не более 925 метров.
• Общее число узлов на один сегмент сети не более 30 (включая повторители).
• Сегмент оканчивается терминаторами, один из которых заземляется.
• Ответвления от сегмента недопустимы.

Сеть Ethernet 10Base2 часто называют "тонкой Ethernet" или Thinnet из-за применяемого кабеля. Это одна из самых простых в установке и дешевых типов сетей. Топология сети - общая шина. Кабель прокладывается вдоль маршрута, где размещены рабочие станции, которые подключаются к сегменту при помощи Т-коннекторов. Отрезки сети, соединяющие соседние станции, подключаются к T-коннекторам при помощи BNC-разъемов. Для соединения двух отрезков кабеля применяются I-коннекторы. В сети не более 1024 станций. Сейчас 10base2 применяется в "домашних" сетях.

Правила построения сетей, использующих физическую топологию "общая шина".

В этом случае действует правило 5-4-3, т.е.:

• не более чем 5 сегментов сети
• могут быть объединены не более чем 4-мя повторителями
• при этом станции могут быть подключены не более чем к 3-м сегментам, остальные 2 могут быть использованы для увеличения общей длины сети.

10Base-T

Соответствует стандарту IEEE 802.3i, принятому в 1991 г.
Ограничения спецификации Ethernet 10Base-T:

• Среда передачи - неэкранированный кабель на основе витой пары (UTP - Unshielded Twisted Pair) категории 3 и выше. При этом задействуются 2 пары - одна на прием, вторая на передачу.
• Физическая топология "звезда".
• Длина кабеля между станцией и концентратором не более 100 м.
• Максимальный диаметр сети не более 500 метров.
• Количество станций в сети не более 1024.

В сети 10Base-Т термин "сегмент" применяют к соединению станция-концентратор. Дополнительные расходы в 10Base2, связанные с необходимостью наличия концентратора и большим количеством кабеля, компенсируются большей надежностью и удобством эксплуатации. Индикаторы, присутствующие даже на самых простых концентраторах, позволяют быстро найти неисправный кабель. Управляемые модели концентраторов способны осуществлять мониторинг и управление сетью. Совместимость кабельной системы со стандартами Fast Ethernet увеличивает пропускную способность без изменения кабельных систем. Для оконцовки кабеля применяются восьмиконтактные разъемы и розетки RJ-45.

10Base-F

Среда передачи данных стандарта 10Base-F - оптоволокно. В стандарте повторяется топология и функциональные элементы 10Base-T: концентратор, к портам которого с помощью кабеля подключаются сетевые адаптеры станций. Для соединения адаптера с повторителем используется два оптоволокна - одно на прием, второе на передачу.

Существует несколько разновидностей 10Base-F. Первым стандартом для использования оптоволокна в сетях Ethernet был FOIRL (Fiber Optic Inter-Repeater Link). Ограничение длины оптоволоконных линий между повторителями 1 км при общей длине сети не более 2,5 км. Максимальное число повторителей - 4.

В стандарте 10Base-FL , предназначенном для соединения станций с концентратором, длина сегмента оптоволокна до 2 км при общей длине сети не более 2,5 км. Максимальное число повторителей также 4. Ограничения длин кабелей даны для многомодового кабеля. Применение одномодового кабеля позволяет прокладывать сегменты длиной до 20 км (!).

Существует также стандарт 10Base-FB , предназначенный для магистрального соединения повторителей. Ограничение на длину сегмента - 2 км при общей длине сети 2,74 км. Количество повторителей - до 5. Характерной особенностью 10Base-FB является способность повторителей обнаруживать отказы основных портов и переходить на резервные за счет обмена специальными сигналами, которые отличаются от сигналов передачи данных.

Стандарты 10Base-FL и 10Base-FB не совместимы между собой. Дешевизна оборудования 10Base-FL позволила ему обогнать по распространенности волоконно-оптические сети других стандартов.

Оконцовка оптоволоконных кабелей представляет собой существенно более сложную задачу, чем оконцовка медных кабелей. Необходимо точное совмещение осей светопроводящего материала - волокон и коннекторов. Типы коннекторов в основном отличаются друг от друга размером и формой направляющего ободка. Если в самых первых биконических коннекторах использовались конические ободки, то в настоящее время используются коннекторы типа SC (square cross-section), имеющие ободок квадратного сечения. Для надежного закрепления коннектора в гнезде в ранних типах коннекторов использовалась байонетная (ST) или резьбовая (SMA) фиксация. Сейчас в коннекторах SC используется технология "push-pull", предусматривающая закрепление коннектора в гнезде защелкиванием. Коннекторы типа SC применяются не только в локальных сетях, но также и в телекоммуникационных системах и в сетях кабельного телевидения.

Отдельная проблема - соединение оптических волокон. Надежное и долговечное соединение достигается сваркой волокон, что требует специального оборудования и навыков.

Область применения оптоволокна в сетях Ethernet - это магистральные каналы, соединения между зданиями, а также те случаи, когда применение медных кабелей невозможно из-за больших расстояний или сильных электромагнитных помех на участке прокладки кабеля. На сегодняшний день стандарт 10Base-F вытесняется более скоростными стандартами Ethernet на оптоволоконном кабеле.

Правила построения сетей, использующих физическую топологию "звезда"

Правило 5-4-3 можно интерпретировать в этом случае следующим образом:

• каскадно могут объединяться не более чем 4 концентратора;
• "дерево" каскадируемых концентраторов должно быть построено таким образом, чтобы между двумя любыми станциями в сети было не более чем 4 концентратора;

В смешанных сетях могут быть исключения из этого правила - например, если один из хабов поддерживает не только витую пару, но и оптоволоконный кабель, то допустимое число каскадируемых концентраторов увеличивается до 5.

Экзотика

10Broad36
Необычная технология в семействе Ethernet. Отличается способом передачи - широкополосная ("broadband") вместо узкополосной ("baseband"). В этом случае полоса пропускания кабеля разделяется на отдельные частотные диапазоны, которые назначаются каждой службе. В качестве среды передачи используется коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 75 Ом (обычный телевизионный кабель). Причем 10Broad36 "уживается" в одном кабеле с кабельным телевидением.

Длина сегмента сети не более 1800 метров, а максимальное расстояние между любыми двумя станциями в сети - 3600 м. Скорость передачи 10 Mбит/с. Подключение станций производится с помощью трансиверов, подсоединяемых к кабелю. Длина AUI кабеля, соединяющего трансивер со станцией, не более 50 м. Сегменты сети 10Broad36 должны терминироваться т.н. "оконечным головным" устройством, которое располагается на конце единичного или в корне множественных сегментов. Соединение станций в сети осуществляется одним или двумя кабелями. В первом случае для приема и передачи сигналов выделяются различные каналы частот. Передача станции поступает только на "оконечное головное" устройство, которое преобразует частоту, после чего передача принимается другими станциями, подключенными к сети. Во втором случае один из кабелей используется для приема, второй - для передачи. Сигнал достигает "оконечного головного" устройства, после чего проходит на другой кабель без изменения частоты и принимается любой станцией в сети. Полнодуплексный режим не поддерживается. Технология 10Broad36 не получила широкого распространения, вероятно, из-за сложности реализации и высокой стоимости.

1Base5
Эта технология соответствует стандарту IEEE 802.3e, утвержденному в 1987 году. Также известна под именем StarLAN. Топология - "звезда", ограничение на длину сегмента - 400 м. Работает с витой парой категории 2 и выше. Скорость передачи - 1 Мбит/с. Упоминается, в основном, как часть не менее экзотической UltraNet или в порядке перечисления - "и такое, мол, бывает:-)". В настоящее время шансов на применение не имеет из-за малой пропускной способности.

Быстрее... еще быстрее...
После того, как стандарт 10Base-T стал преобладающим, определив среду передачи строящихся сетей - медную витую пару, развитие технологии пошло в направлении увеличения скорости передачи данных. Первой из технологий 100 Мбит/с для локальных сетей, была FDDI . При всех достоинствах эта технология была дорогостоящей. Для удешевления путем применения кабелей на медной витой паре фирмой Crescendo была разработана и запатентована схема кодирования и скремблирования, допускающая полнодуплексную передачу "точка-точка" по UTP для стандарта CDDI. Позднее именно эти спецификации легли в основу стандарта 100Base-T , преобладающего сегодня во вновь создаваемых сетях. 100Base-T соответствует стандарту IEEE 802.3u , утвержденному в 1995 году.

100Base-T имеет 2 разновидности реализации - 100Base-TX и 100Base-T4 . Различаются они количеством используемых пар и категорией применяемого кабеля. 100Base-TX использует 2 пары кабеля UTP категории 5, 100Base-T4 использует 4 пары кабеля категории 3 или выше. Наибольшее распространение получил стандарт 100Base-TX, 100Base-T4 применяется в основном в старых сетях, построенных на UTP класса 3. Максимально допустимое расстояние от станции до концентратора 100 м, как и в 10Base-T , но в связи с изменением скорости распространения сигналов диаметр сети стандарта 100Base-T ограничен 200 м.

100 Base-FX - реализация Fast Ethernet с использованием в качестве среды передачи многомодового оптоволоконного кабеля. Ограничение длины сегмента - 412 метров при использовании полудуплексного режима и 2 км - при использовании полнодуплексного.

...быстро, как только возможно
Прогресс - штука безостановочная. 100 Мбит/с - немалая скорость передачи данных, но для магистральных каналов ее может не хватить. В 1996 г. начались работы по стандартизации сетей Ethernet со скоростью передачи данных 1000 Мбит/с, которые называют Gigabit Ethernet . Был образован Gigabit Ethernet Alliance, в который вошли 11 компаний: 3Com, Bay Networks, Cisco, Compaq, Granite Systems, Intel, LSI Logic, Packet Engines, Sun, UB Networks и VLSI Technology. К началу 1998 года в Альянс входило уже более 100 компаний. В июне 1998 г. принимается стандарт IEEE 802.3z , использующий одномодовые и многомодовые оптоволоконные кабели, а также STP категории 5 на короткие расстояния (до 25 м). Столь малое допустимое расстояние в случае применения UTP обуславливало сомнительную возможность практического применения такого варианта. Положение изменилось с принятием в июне 1999 г. стандарта IEEE 802.3ab для передачи 1000 Мбит/с по неэкранированной витой паре на расстояния до 100 м.

Спецификации Gigabit Ethernet:

1000Base-LX: трансиверы на длинноволновом лазере, одномодовый и многомодовый оптоволоконный кабель, ограничения длины сегмента 550 м для многомодового и 3 км для одномодового кабеля. Некоторые фирмы предлагают оборудование, позволяющее строить сегменты с применением одномодового кабеля гораздо большей длины - десятки километров.

1000Base-SX: трансиверы на коротковолновом лазере и многомодовый оптический кабель. Ограничения длины сегмента 300 м для кабеля с диаметром оптического проводника 62.5 мкм и 550 м для кабеля с диаметром проводника 50 мкм.

1000Base-CX: экранированная витая пару. Ограничение длины сегмента - 25 м.

1000Base-T: неэкранированная витая пару. Ограничение длины сегмента - 100 м.

Поскольку стандарт на оптоволоконный Gigabit Ethernet вышел на год раньше, на рынке преобладает оборудование, рассчитанное на работу с оптическим физическим интерфейсом. Применять или не применять Gigabit Ethernet - вопрос, активно обсуждаемый в настоящее время. Сейчас немногие отечественные сети нуждаются в столь высокой пропускной способности. С учетом снижения цен, имеет смысл переходить на Gigabit Ethernet, когда все другие возможности действительно исчерпаны, во всяком случае, в существующих сетях. Но "держать в уме" возможность перехода на Gigabit Ethernet нужно, поэтому приобретение коммутаторов, позволяющих установку модулей с поддержкой этого стандарта представляется разумным.

Есть ли предел скорости у технологии Ethernet? В начале 2000 г. 3Com, Cisco Systems, Extreme Networks, Intel, Nortel Networks, Sun Microsystems и Worldwide Packets основали 10 Gigabit Alliance. Задача Альянса - способствовать работе комитета IEEE в разработке стандарта 802.3ae (10 Gigabit Ethernet), который планируется принять весной 2002 г. Рабочая группа IEEE уже опубликовала предварительную информацию об ограничениях на длину сегмента сети с пропускной способностью 10 Гбит/с: до 100 метров для используемого в настоящее время многомодового оптоволоконного кабеля и до 300 метров для нового усовершенствованного многомодового оптоволоконного кабеля. Существует несколько вариантов одномодового оптоволоконного кабеля: до 2 км для сети группы зданий и 10 или 40 км для региональной сети.

Модель OSI
При подробном рассмотрении функционирования сетей часто упоминается понятие уровней взаимодействия компонентов сети. В качестве "линейки" для определения уровней используется модель OSI (Open System Interconnect - взаимодействие открытых систем), разработанная как описание структуры идеальной сетевой архитектуры. В модели OSI семь уровней взаимодействия для рассмотрения процесса обмена информацией между устройствами в сети. Каждый из уровней сети относительно автономен и рассматривается отдельно. Модель OSI используется для определения функций каждого уровня.

1) Физический уровень определяет электротехнические, механические, процедурные и функциональные характеристики активации, поддержания и дезактивации физического канала между конечными системами. Спецификации физического уровня определяют уровни напряжений, синхронизацию изменения напряжений, скорость передачи физической информации, максимальные расстояния передачи информации, требования к среде передачи, физические соединители и другие аналогичные характеристики.

2) Канальный уровень (Data Link) обеспечивает надежный транзит данных через физический канал. Выполняя эту задачу, канальный уровень решает вопросы физической адресации, топологии сети, линейной дисциплины (каким образом конечной системе использовать сетевой канал), уведомления о неисправностях, упорядоченной доставки блоков данных и управления потоком информации. Обычно этот уровень разбивается на два подуровня: LLC (Logical Link Control) в верхней половине, осуществляющего проверку на ошибки, и MAC (Media Access Control) в нижней половине, отвечающего за физическую адресацию и прием/передачу пакетов на физическом уровне.

3) Сетевой уровень обеспечивает соединение и выбор маршрута между двумя конечными системами, подключенными к разным "подсетям", которые могут находиться в разных географических пунктах. Сетевой уровень отвечает за выбор оптимального маршрута между станциями, которые в могут быть разделены множеством соединенных между собой подсетей.

4) Транспортный - самый высокий из уровней, отвечающих за транспортировку данных. На этом уровне обеспечивается надежная транспортировка данных через объединенную сеть. Транспортный уровень обеспечивает механизмы для установки, поддержания и упорядоченного завершения действия виртуальных каналов, систем обнаружения и устранения неисправностей транспортировки и управления информационным потоком.

5) Сеансовый уровень устанавливает, управляет и завершает сеансы взаимодействия между прикладными задачами. Сеансы состоят из диалога между двумя или более объектами представления. Сеансовый уровень синхронизирует диалог между объектами представительного уровня и управляет обменом информации между ними. В дополнение к управлением сеансами этот уровень предоставляет средства для отправки информации, класса услуг и уведомления в исключительных ситуациях о проблемах сеансового и более высоких уровней.

6) Уровень представления отвечает за то, чтобы информация, посылаемая из прикладного уровня одной системы, была читаемой для прикладного уровня другой системы. При необходимости представительный уровень осуществляет трансляцию между множеством форматов представления информации путем использования общего формата представления информации. При необходимости трансформации подвергаются не только фактические данные, но и структуры данных, используемые программами. Типичным примером является преобразование окончаний строк UNIX (CR) в MS-DOS формат (CRLF).

7) Прикладной уровень отвечает за выполнение пользовательских задач. Он идентифицирует и устанавливает наличие предполагаемых партнеров для связи, синхронизирует совместно работающие прикладные программы, устанавливает соглашение по процедурам устранения ошибок и управления целостностью информации, а также определяет, достаточно ли ресурсов для предполагаемой связи.

Детские болезни Ethernet и борьба с ними

Ethernet использует "случайный" метод доступа к сети (CSMA/CD - carrier-sense multiple access/collision detection) - множественный доступ с обнаружением несущей. В нем отсутствует последовательность, в соответствии с которой станции могут получать доступ к среде для осуществления передачи. В этом смысле доступ к среде осуществляется случайным образом. Преимущество метода: алгоритмы случайного доступа реализуются значительно проще по сравнению с алгоритмами детерминированного доступа. Следовательно, аппаратные средства могут быть дешевле. Поэтому Ethernet более распространен по сравнению с другими технологиями для локальных сетей. При загрузке сети уже на уровне 30% становятся ощутимыми задержки при работе станций с сетевыми ресурсами, а дальнейшее увеличение нагрузки вызывает сообщения о недоступности сетевых ресурсов. Причиной этого являются коллизии, возникающие между станциями, начавшими передачу одновременно или почти одновременно. При возникновении коллизии, передаваемые данные не доходят до получателей, а передающим станциям приходится возобновлять передачу. В классическом Ethernet все станции в сети образовывали домен коллизий (collision domain). При этом одновременная передача любой пары станций приводила к возникновению коллизии.

Сегментация сети
Основной способ борьбы с перегрузкой сегментов во времена преобладания сетей стандарта 10Base2. Весь сегмент разбивался на части. При этом вопрос передачи информации между сегментами при необходимости решался с помощью маршрутизации. Аппаратные средства особой популярностью не пользовались. Обычно сервер с несколькими сетевыми адаптерами устанавливался приблизительно в центре сети и на нем настраивался программный маршрутизатор. Таким образом, кроме изоляции коллизий в отдельных сегментах, можно было увеличить общий размер сети до 185 + 185 = 370 м.

Коммутация пакетов
Используя топологию "звезда", стандарт 10Base-T на физическом уровне реализует "свернутую" или "коллапсированную" общую шину, поэтому проблема коллизий актуальна и для него. Впервые технология коммутации сегментов Ethernet была предложена фирмой Kalpana в 1990 году. Коммутирующие концентраторы, или просто коммутаторы (switch), позволили каждой станции использовать среду передачи без конкуренции с другими за счет буферизации входящих данных и передаче их станции-получателю только тогда, когда его порт открыт. Коммутация фактически преобразует Ethernet из широковещательной системы с конкурентной борьбой за полосу пропускания в систему адресной передачи данных. При этом пары портов отправитель-адресат динамически образуют независимые виртуальные каналы. Это увеличивает пропускную способность сети по сравнению с применением концентраторов. Довольно популярными являются решения, когда серверы подключаются к более скоростным портам коммутатора, станции - к менее скоростным. В этом случае в идеале каждая станция имеет доступ к серверу с максимальной скоростью, поддерживаемой адаптером.

Поскольку ограничения диаметра сети в классической технологии Ethernet связаны с необходимостью своевременного обнаружения коллизий, применение коммутаторов позволяет преодолеть эти ограничения, разбивая сеть на несколько доменов коллизий.

Передача пакетов от порта-источника в порт-получатель в коммутаторе происходит либо "на лету" (cut-though), либо с полной буферизацией пакетов (store-and-forward). При использовании передачи "на лету" передача порту-получателю начинается еще до окончания приема пакета с порта-источника, используя адрес получателя из заголовка пакета. Такой способ сокращает задержки передачи при небольшой загрузке сети, однако ему присущи и недостатки - в этом случае невозможна предварительная обработка пакетов, позволяющая отбрасывать плохие пакеты без передачи их получателю. При увеличении загрузки сети задержка при передаче "на лету" практически равняется задержке при передаче с буферизацией, это объясняется тем, что в этом случае выходной порт часто бывает занят приемом другого пакета, поэтому вновь поступивший пакет для данного порта все равно приходится буферизовать.

Во многих коммутаторах применяется адаптивная технология: режимы буферизации и передачи "на лету" применяются в зависимости от величины нагрузки сети.

Технология коммутации позволяет строить сети с большим количеством станций, при этом доля широковещательного (broadcast) трафика достигает существенных значений. При необходимости ограничить доступ станций к сетевым ресурсам, применяется технология виртуальных локальных сетей (VLAN). Виртуальную локальную сеть (ВЛС) образует группа узлов сети, трафик которой, в том числе и широковещательный, на канальном уровне полностью изолирован от узлов, входящих в другие ВЛС. Передача кадров между разными ВЛС на основании адреса канального уровня невозможна, независимо от типа адреса - уникального, группового или широковещательного.

Долгое время стандарт на ВЛС отсутствовал, вместе с тем существовало множество несовместимых друг с другом фирменных реализаций. Сейчас принят стандарт на ВЛС IEEE 802.1Q.

Для построения ВЛС до принятия стандарта IEEE 802.1Q обычно применялась группировка портов, либо группировка MAC-адресов. Решения на основе группировки портов проще в применении, но в случае соединения нескольких коммутаторов каждая ВЛС требует отдельного соединения между ними, что приводит к расточительному использованию портов и кабелей. Группировка на основе MAC адресов рациональнее использует порты и соединения, но трудоемка при эксплуатации. В качестве достоинства этих способов можно отметить использования стандартных кадров Ethernet. Стандарт IEEE 802.1Q предусматривает изменение структуры кадра Ethernet с введением в него дополнительных полей, в которые помещаются сведения о принадлежности узла к определенной ВЛС. Кроме того, добавляются поля, где храниться информация о приоритете кадра, используемая в стандарте IEEE 802.1p.

Для передачи информации между разными ВЛС необходимо привлечение сетевого уровня. Соответствующие средства могут представлять собой либо отдельный маршрутизатор, либо входить в состав аппаратно-программного обеспечения коммутатора. Коммутаторы, имеющие средства для работы на уровне сетевых протоколов, называются "маршрутизирующими коммутаторами", "коммутаторами третьего уровня". Для управления потоками информации в них применяется либо последовательная, либо потоковая маршрутизация пакетов. В первом случае реализуются классические функции маршрутизатора, и каждый пакет обрабатывается отдельно. Во втором случае используется нестандартный метод, применяемый для сокращения числа операций для определения маршрута пакетов. Первый пакет обрабатывается на третьем уровне и определяет порт назначения для остальных пакетов для того же адресата. Дальнейшая пересылка пакетов происходит на втором уровне, что ускоряет процесс передачи по сравнению с классической маршрутизацией. Для упрощения реализации в коммутаторах третьего уровня применяется маршрутизация только протоколов IP и IPX, как наиболее распространенных в локальных сетях.

Приоритезация трафика

Еще одно свойство Ethernet, рассматриваемое как недостаток при необходимости передачи по сети информации, чувствительной к задержкам, такой как голос и видео. Протоколы канального уровня Ethernet не поддерживают поле приоритета кадра, поэтому для решения этой проблемы производители сетевого оборудования начали встраивать в коммутаторы дополнительные технологические решения. Например, технология фирмы 3Com PACE (Priority Access Control Enabled - управление приоритетами доступа), позволяющая в одном канале выделить два логических подканала - с высоким и низким приоритетами. В этом случае приоритеты приписываются портам коммутатора и кадр помещается в очередь кадров соответствующего приоритета в зависимости от того, на какой порт он поступил. PACE использует стандартный формат кадров для использования в одной сети оборудования как с поддержкой PACE, так и без нее.

Положение изменилось с принятием стандарта IEEE 802.1p: появилась возможность определения восьми уровней приоритета кадра на основе использовании новых полей, определенных в стандарте IEEE 802.1Q. Таким образом, управление приоритетами организуется более гибко, без привязки к определенным портам.

Кроме приоритезации трафика, чувствительного к задержкам времени, существует необходимость повышения приоритета портов коммутатора по отношению к портам конечных станций для предотвращения потери пакетов. Для этого производители используют нестандартные параметры доступа к среде для портов коммутатора. "Агрессивное поведение" порта при захвате среды проявляется после окончания передачи очередного пакета или после обнаружения коллизии. В первом случае после окончания передачи коммутатор выдерживает паузу меньше положенной по стандарту и начинает передачу нового пакета. Станция, выдержав положенную паузу, при попытке передачи обнаруживает, что среда уже занята. Во втором случае после обнаружения коллизии порт коммутатора также делает паузу меньшую стандартной, захватывает среду и станции также не удается начать передачу. Коммутатор адаптивно изменяет степень агрессивности по мере необходимости.

Еще один прием, применяемый в коммутаторах, основан на передаче станции фиктивных пакетов станции в то время, когда в буфере коммутатора нет пакетов для передачи на порт станции. При этом среда передачи равновероятно захватывается попеременно портом коммутатора и станцией, и интенсивность передачи пакетов в коммутатор снижается в среднем вдвое. Такой метод называется методом обратного давления (backpressure). Он комбинируется с методом агрессивного захвата среды для большего подавления активности конечных станций.

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.

Системное администрирование

• Tutorial

• Что такое домен коллизий?
• Сколько пар используется для Ethernet и почему?
• По каким парам идет прием, а по каким передача?
• Что ограничивает длину сегмента сети?
• Почему кадр не может быть меньше определенной величины?

Если не знаешь ответов на эти вопросы, а читать стандарты и серьезную литературу по теме лень - прошу под кат.

Кто-то считает, что это очевидные вещи, другие скажут, что скучная и ненужная теория. Тем не менее на собеседованиях периодически можно услышать подобные вопросы. Мое мнение: о том, о чем ниже пойдет речь, нужно знать всем, кому приходится брать в руки «обжимку» 8P8C (этот разъем обычно ошибочно называют RJ-45). На академическую глубину не претендую, воздержусь от формул и таблиц, так же за бортом оставим линейное кодирование. Речь пойдет в основном о медных проводах, не об оптике, т.к. они шире распространены в быту.

Технология Ethernet описывает сразу два нижних уровня модели OSI . Физический и канальный. Дальше будем говорить только о физическом, т.е. о том, как передаются биты между двумя соседними устройствами.

Технология Ethernet - часть богатого наследия исследовательского центра Xerox PARC . Ранние версии Ethernet использовали в качестве среды передачи коаксиальный кабель, но со временем он был полностью вытеснен оптоволокном и витой парой. Однако важно понимать, что применение коаксиального кабеля во многом определило принципы работы Ethernet. Дело в том, что коаксиальный кабель - разделяемая среда передачи. Важная особенность разделяемой среды: ее могут использовать одновременно несколько интерфейсов, но передавать в каждый момент времени должен только один. С помощью коаксиального кабеля можно соединит не только 2 компьютера между собой, но и более двух, без применения активного оборудования. Такая топология называется шина . Однако если хотябы два узла на одной шине начнут одновременно передавать информацию, то их сигналы наложатся друг на друга и приемники других узлов ничего не разберут. Такая ситуация называется коллизией , а часть сети, узлы в которой конкурируют за общую среду передачи - доменом коллизий . Для того чтоб распознать коллизию, передающий узел постоянно наблюдает за сигналов в среде и если собственный передаваемый сигнал отличается от наблюдаемого - фиксируется коллизия. В этом случае все узлы перестают передавать и возобновляют передачу через случайный промежуток времени.

Диаметр коллизионного домена и минимальный размер кадра

Теперь давайте представим, что будет, если в сети, изображенной на рисунке, узлы A и С одновременно начнут передачу, но успеют ее закончить раньше, чем примут сигнал друг друга. Это возможно, при достаточно коротком передаваемом сообщении и достаточно длинном кабеле, ведь как нам известно из школьной программы, скорость распространения любых сигналов в лучшем случае составляет C=3*10 8 м/с. Т.к. каждый из передающих узлов примет встречный сигнал только после того, как уже закончит передавать свое сообщение - факт того, что произошла коллизия не будет установлен ни одним из них, а значит повторной передачи кадров не будет. Зато узел B на входе получит сумму сигналов и не сможет корректно принять ни один из них. Для того, чтоб такой ситуации не произошло необходимо ограничить размер домена коллизий и минимальный размер кадра. Не трудно догадаться, что эти величины прямо пропорциональны друг другу. В случае же если объем передаваемой информации не дотягивает до минимального кадра, то его увеличивают за счет специального поля pad, название которого можно перевести как заполнитель.

Таким образом чем больше потенциальный размер сегмента сети, тем больше накладных расходов уходит на передачу порций данных маленького размера. Разработчикам технологии Ethernet пришлось искать золотую середину между двумя этими параметрами, и минимальным размером кадра была установлена величина 64 байта.

Витая пара и дуплексный режим рабты

Витая пара в качестве среды передачи отличается от коаксиального кабеля тем, что может соединять только два узла и использует разделенные среды для передачи информации в разных направлениях. Одна пара используется для передачи (1,2 контакты, как правило оранжевый и бело-оранжевый провода) и одна пара для приема (3,6 контакты, как правило зеленый и бело-зеленый провода). На активном сетевом оборудовании наоборот. Не трудно заметить, что пропущена центральная пара контактов: 4, 5. Эту пару специально оставили свободной, если в ту же розетку вставить RJ11, то он займет как раз свободные контакты. Таким образом можно использовать один кабели и одну розетку, для LAN и, например, телефона. Пары в кабеле выбраны таким образом, чтоб свести к минимуму взаимное влияние сигналов друг на друга и улучшить качество связи. Провода одной пару свиты между собой для того, чтоб влияние внешних помех на оба провода в паре было примерно одинаковым.
Для соединения двух однотипных устройств, к примеру двух компьютеров, используется так называемый кроссовер-кабель(crossover) , в котором одна пара соединяет контакты 1,2 одной стороны и 3,6 другой, а вторая наоборот: 3,6 контакты одной стороны и 1,2 другой. Это нужно для того, чтоб соединить приемник с передатчиком, если использовать прямой кабель, то получится приемник-приемник, передатчик-передатчик. Хотя сейчас это имеет значение только если работать с каким-то архаичным оборудованием, т.к. почти всё современное оборудование поддерживает Auto-MDIX - технология позволяющая интерфейсу автоматически определять на какой паре прием, а на какой передача.

Возникает вопрос: откуда берется ограничение на длину сегмента у Ethernet по витой паре, если нет разделяемой среды? Всё дело в том, первые сети построенные на витой паре использовали концентраторы. Концентратор (иначе говоря многовходовый повторитель) - устройство имеющее несколько портов Ethernet и транслирующее полученный пакет во все порты кроме того, с которого этот пакет пришел. Таким образом если концентратор начинал принимать сигналы сразу с двух портов, то он не знал, что транслировать в остальные порты, это была коллизия. То же касалось и первых Ethernet-сетей использующих оптику (10Base-FL).

Зачем же тогда использовать 4х-парный кабель, если из 4х пар используются только две? Резонный вопрос, и вот несколько причин для того, чтобы делать это:

• 4х-парный кабель механически более надежен чем 2х-парный.
• 4х-парный кабель не придется менять при переходе на Gigabit Ethernet или 100BaseT4, использующие уже все 4 пары
• Если перебита одна пара, можно вместо нее использовать свободную и не перекладывать кабель
• Возможность использовать технологию Power over ethernet

Не смотря на это на практике часто используют 2х-парный кабель, подключают сразу 2 компьютера по одному 4х-парному, либо используют свободные пары для подключения телефона.

Gigabit Ethernet

В отличии от своих предшественников Gigabit Ethernet всегда использует для передачи одновременно все 4 пары. Причем сразу в двух направлениях. Кроме того информация кодируется не двумя уровнями как обычно (0 и 1), а четырьмя (00,01,10,11). Т.е. уровень напряжения в каждый конкретный момент кодирует не один, а сразу два бита. Это сделано для того, чтоб снизить частоту модуляции с 250 МГц до 125 МГц. Кроме того добавлен пятый уровень, для создания избыточности кода. Он делает возможной коррекцию ошибок на приеме. Такой вид кодирования называется пятиуровневым импульсно-амплитудным кодированием (PAM-5). Кроме того, для того, чтоб использовать все пары одновременно для приема и передачи сетевой адаптер вычитает из общего сигнала собственный переданный сигнал, чтоб получить сигнал переданный другой стороной. Таким образом реализуется полнодуплексный режим по одному каналу.

Дальше - больше

10 Gigabit Ethernet уже во всю используется провайдерами, но в SOHO сегменте не применяется, т.к. судя по всему там вполне хватает Gigabit Ethernet. 10GBE качестве среды распространения использует одно- и многомодовое волокно, с или без уплотнением по длине волны , медные кабели с разъемом InfiniBand а так же витую пару в стандарте 10GBASE-T или IEEE 802.3an-2006.

40-гигабитный Ethernet (или 40GbE ) и 100-гигабитный Ethernet (или 100GbE ). Разработка этих стандартов была закончена в июле 2010 года. В настоящий момент ведущие производители сетевого оборудования, такие как Cisco, Juniper Networks и Huawei уже заняты разработкой и выпуском первых маршрутизаторов поддерживающих эти технологии.

В заключении стоит упомянуть о перспективной технологии Terabit Ethernet . Боб Меткалф, создатель предположил, что технология будет разработана к 2015 году, и так же сказал:

Чтобы реализовать Ethernet 1 ТБит/с, необходимо преодолеть множество ограничений, включая 1550-нанометровые лазеры и модуляцию с частотой 15 ГГц. Для будущей сети нужны новые схемы модуляции, а также новое оптоволокно, новые лазеры, в общем, все новое

UPD : Спасибо хабраюзеру , что подсказал, про то что разъем, который я всю жизнь называл RJ45 на самом деле 8P8C .
UPD2: : Спасибо пользователю , что объяснил, почему используются контакты 1,2,3 и 6.

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 (2 2 интервалов) и ждет опять. При третьем столкновении (вероятность такого события после двойного столкновения равна 1/4) интервалы будут выбираться в диапазоне от 0 до 2 3 – 1.

Время паузы после N-ой коллизии полагается равным L интервалам отсрочки, где L - случайное целое число, равномерно распределенное в диапазоне . Величина диапазона растет только до 10 попытки, а далее диапазон остается равным , то есть . 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.