Технология Ethernet

это самая распространенная на сегодняшний


*    Еthеrnеt — это самая распространенная на сегодняшний день технология локальных сетей. В широком смысле Еthеrnеt  — это целое семейство технологий, включающее различные фирменные и стандартные варианты, из которых наиболее известны фирменный вариант Еthеrnеt DIX, 10-мегабитные варианты стандарта IЕЕЕ 802.3, а также новые высокоскоростные технологии Fаst Еthеrnеt и Gigabit Еthеrnеt. Почти все виды технологий Еthеrnеt; используют один и тот же метод разделения среды передачи данных — метод случайного доступа СSМА/СD, который определяет облик технологии в целом.
*    В узком смысле Еthеrnеt  — это 10-мегабитная технология, описанная в стандарте IEЕЕ 802.3.
*    Важным явлением в сетях Еthеrnеt  является коллизия — ситуация, когда две станции одновременно пытаются передать кадр данных по общей среде. Наличие коллизий — это неотъемлемое свойство сетей Еthеrnеt, являющееся следствием принятого случайного метода доступа. Возможность четкого распознавания коллизий обусловлена правильным выбором параметров сети, в частности соблюдением соотношения между минимальной длиной кадра и максимально возможным диаметром сети.
*    На характеристики производительности сети большое значение оказывает коэффициент использования сети, который отражает ее загруженность. При значениях этого коэффициента свыше 50 % полезная пропускная способность сети резко падает: из-за роста интенсивности коллизий, а также увеличения времени ожидания доступа к среде.
*    Максимально возможная пропускная способность сегмента Еthеrnеt  в кадрах в секунду достигается при передаче кадров минимальной длины и составляет 14 880 кадр/с. При этом полезная пропускная способность сети составляет всего 5,48 Мбит/с, что лишь ненамного превышает половину номинальной пропускной способности — 10 Мбит/с.
*    Максимально возможная полезная пропускная способность сети Еthеrnеt  составляет 9,75 Мбит/с, что соответствует использованию кадров максимальной длины в 1518 байт, которые передаются по сети со скоростью 513 кадр/с.


*    При отсутствии коллизий и ожидания доступа коэффициент использования сети зависит от размера поля данных кадра и имеет максимальное значение 0,96.
*     Технология Еthеrnеt  поддерживает 4 разных типа кадров, которые имеют общий формат адресов узлов. Существуют формальные признаки, по которым сетевые адаптеры автоматически распознают тип кадра.
*     В зависимости от типа физической среды стандарт IEЕЕ 802.3 определяет различные спецификации: 10Ваsе-5, 10Ваsе-2, 10Ваsе-Т, FOIRL, 10Ваsе-FL,10Ваsе-FВ. Для каждой спецификации определяются тип кабеля, максимальные длины непрерывных отрезков кабеля, а также правила использования повторителей для увеличения диаметра сети: правило «5-4-3» для коаксиальных вариантов сетей, и правило «4-х хабов» для витой пары и оптоволокна.
*     Для «смешанной» сети, состоящей из физических сегментов различного типа, полезно проводить расчет общей длины сети и допустимого количества повторителей. Комитет IEЕЕ 802.3 приводит исходные данные для таких расчетов, в которых указываются задержки, вносимые повторителями различных спецификаций физической среды, сетевыми адаптерами и сегментами кабеля.
3.6. Fast Ethernet и 100VG-AnyLAN как развитие  технологии Ethernet.
      Классический 10-мегабитный Ethernet  устраивал большинство пользователей на протяжении около 15 лет. Однако в начале 90-х годов начала ощущаться его недостаточная пропускная способность. Для компьютеров на процессорах Intel  80286 или 80386 с шинами 15А (8 Мбайт/с) или Е18А (32 Мбайт/с) пропускная способность сегмента Ethernet  составляла 1/8 или 1/32 канала «память-диск», и это хорошо согласовывалось с соотношением объемов данных, обрабатываемых локально, и данных, передаваемых по сети. Для более мощных клиентских станций с шиной РСI (133 Мбайт/с) эта доля упала до 1/133, что было явно недостаточно. Поэтому многие сегменты 10-мегабитного Ethernet  стали перегруженными, реакция серверов в них значительно упала, а частота возникновения коллизий существенно возросла, еще более снижая полезную пропускную способность.




        Назрела необходимость в разработке «нового» Ethernet , то есть технологии, которая была бы такой же эффективной по соотношению цена/качество при производительности 100 Мбит/с. В результате поисков и исследований специалисты разделились на два лагеря, что в конце концов привело к появлению двух новых

технологий — Fast Ethernet  и 100VG-АnуLAN. Они отличаются степенью преемственности с классическим Ethernet.
       В 1992 году группа производителей сетевого оборудования, включая таких лидеров технологии Ethernet, как SynOptics, ЗСоm и ряд других, образовали некоммерческое объединение Fast Ethernet Аlliancе для разработки стандарта новой технологии, которая должна была в максимально возможной степени сохранить

особенности технологии Ethernet.
       Второй лагерь возглавили компании Нewlett-Packard  и АТ&Т, которые предложили воспользоваться удобным случаем для устранения некоторых известных недостатков технологии Ethernet . Через некоторое время к этим компаниям присоединилась компания IВМ, которая внесла свой вклад предложением обеспечить в новой технологии некоторую совместимость с сетями Токеn Ring.
        В комитете 802 института IEЕЕ в это же время была сформирована исследовательская группа для изучения технического потенциала новых высокоскоростных технологий. За период с конца 1992 года и по конец 1993 года группа IEЕЕ изучила 100-мегабитные решения, предложенные различными производителями. Наряду с предложениями Fast Ethernet Alliance группа рассмотрела также и высокоскоростную технологию, предложенную компаниями Неwlett-Расkаrd и АТ&Т.
         В центре дискуссий была проблема сохранения случайного метода доступа СSМА/СD). Предложение Fast Ethernet  Alliance сохраняло этот метод и тем самым обеспечивало преемственность и согласованность сетей 10 Мбит/с и 100 Мбит/с. Коалиция НР и АТ&Т, которая имела поддержку значительно меньшего числа производителей в сетевой индустрии, чем Fast Ethernet Alliance, предложила совершенно новый метод доступа, названный Demand Priority — приоритетный доступ по требованию.


Он существенно менял картину поведения узлов в сети, поэтому не смог вписаться в технологию Ethernet  и стандарт 802.3, и для его стандартизации был организован новый комитет IEЕЕ 802.12.
        Осенью 1995 года обе технологии стали стандартами IEЕЕ. Комитет IEЕЕ 802.3 принял спецификацию Fast Ethernet в качестве стандарта 802.3u, который не является самостоятельным стандартом, а представляет собой дополнение к существующему стандарту 802.3 в виде глав с 21 по 30. Комитет 802.12 принял технологию 100VG - АnуLAN, которая использует новый метод доступа Demand Priority и поддерживает кадры двух форматов — Ethernet  и Тоkеn .
3.6.1. Физический уровень технологии Fast Ethernet.
Все отличия технологии Fast Ethernet от Ethernet сосредоточены на физическом уровне (рис. 3.20). Уровни МАС и LLС в Fast Ethernet остались абсолютно теми же, и их описывают прежние главы стандартов 802.3 и 802.2. Поэтому рассматривая технологию Fast Ethernet, мы будем изучать только несколько вариантов ее

физического уровня.
         Более сложная структура физического уровня технологии Fast Ethernet  вызва-

на тем, что в ней используются три варианта кабельных систем:
•    волоконно-оптический многомодовый кабель, используются два волокна;
•    витая пара категории 5, используются две пары;
•    витая пара категории 3, используются четыре пары.
Коаксиальный кабель, давший миру первую сеть Ethernet , в число разрешенных сред передачи данных новой технологии Fast Ethernet не попал. Это общая тенденция многих новых технологий, поскольку на небольших расстояниях витая пара категории 5 позволяет передавать данные с той же скоростью, что и коаксиальный кабель, но сеть получается более дешевой и удобной в эксплуатации. На больших расстояниях оптическое волокно обладает гораздо более широкой полосой пропускания, чем коаксиал, а стоимость сети получается ненамного выше, особенно если учесть высокие затраты на поиск и устранение неисправностей в крупной кабельной коаксиальной системе.

Рис. 3.20.


Отличия технологии Fast Ethernet  от технологии Ethernet
     Отказ от коаксиального кабеля привел к тому, что сети Fast Ethernet  всегда имеют иерархическую древовидную структуру, построенную на концентраторах, как и сети 10Ваsе-Т/10Ваsе-F. Основным отличием конфигураций сетей Fast Ethernet является сокращение диаметра сети примерно до 200 м, что объясняется уменьшением времени передачи кадра минимальной длины в 10 раз за счет увеличения

скорости передачи в 10 раз по сравнению с 10-мегабитным Ethernet .
        Тем не менее это обстоятельство не очень препятствует построению крупных сетей на технологии Fast Ethernet. Дело в том, что середина 90-х годов отмечена не только широким распространением недорогих высокоскоростных технологий, но и бурным развитием локальных сетей на основе коммутаторов. При использовании коммутаторов протокол Fast Ethernet  может работать в полнодуплексном режиме,в котором нет ограничений на общую длину сети, а остаются только ограничения на длину физических сегментов, соединяющих соседние устройства (адаптер - коммутатор или коммутатор - коммутатор). Поэтому при создании магистралей локальных сетей большой протяженности технология Fast Ethernet  также активно

применяется, но только в полнодуплексном варианте, совместно с коммутаторами.
         В данном разделе рассматривается полудуплексный вариант работы технологии Fast Ethernet, который полностью соответствует определению метода доступа, описанному в стандарте 802.3. Особенности полнодуплексного режима Fast Ethernet описаны в главе 4.
         По сравнению с вариантами физической реализации •   (а их насчитывается шесть), в Fast Ethernet отличия каждого варианта от других глубже — меняется как количество проводников, так и методы кодирования. А так как физические варианты Fast Ethernet создавались одновременно, а не эволюционно, как для сетей Ethernet, то имелась возможность детально определить те подуровни физического уровня, которые не изменяются от варианта к варианту, и те подуровни, которые специфичны для каждого варианта физической среды.


       Официальный стандарт 802. 3u установил три различных спецификации для физического уровня Fast Ethernet и дал им следующие названия (рис. 3.21):

 •   100Ваsе-ТХ для двухпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP категории 5 или экранированной витой паре STP Туре 1;
•   100Ваsе-Т4 для четырехпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP категории 3, 4 или 5;
•   100Ваsе-FХ для многомодового оптоволоконного кабеля, используются два волокна.

Риc. 3.21. Структура физического уровня Fast Ethernet 
     Для всех трех стандартов справедливы следующие утверждения и характеристики.
•    Форматы кадров технологии Fast Ethernet  отличаются от форматов кадров технологий 10-мегабитного Ethernet.
•  Межкадровый интервал (IРG) равен 0,96 мкс, а битовый интервал равен 10 нc. Все временные параметры алгоритма доступа (интервал отсрочки, время передачи кадра минимальной длины и т. п.), измеренные в битовых интервалах, остались прежними, поэтому изменения в разделы стандарта, касающиеся уровня

МАС, не вносились.
•  Признаком свободного состояния среды является передача по ней символа Idle соответствующего избыточного кода (а не отсутствие сигналов, как в стандартах Ethernet  10 Мбит/с).
    Физический уровень включает три элемента:
  •   уровень согласования (reconciliation sublayer);

  •  независимый от среды интерфейс (Media Independent Interface,MII);

  •   устройство физического уровня (Physical layer device,PНY).

  •       Уровень согласования нужен для того, чтобы уровень МАС, рассчитанный на интерфейс АUI, смог работать с физическим уровнем через интерфейс МII.
         Устройство физического уровня (РНY) состоит, в свою очередь, из нескольких подуровней (см. рис. 3.20):

    •   подуровня логического кодирование данных, преобразующего поступающие от уровня МАС байты в символы кода 4В/5В или 8В/6Т (оба кода используются в технологии Fast Ethernet );
    •    подуровней физического присоединения и подуровня зависимости от физической среды (РМD), которые обеспечивают формирование сигналов в соответствии с методом физического кодирования, например NRZI или МLТ-3;


    •    подуровня автопереговоров, который позволяет двум взаимодействующим портам автоматически выбрать наиболее эффективный режим работы, например, полудуплексный или полнодуплексный (этот подуровень является факультативным).
           Интерфейс МII поддерживает независимый от физической среды способ обмена данными между подуровнем МАС и подуровнем РНY. Этот интерфейс аналогичен по назначению интерфейсу AUI  классического Ethernet  за исключением того, что интерфейс АШ располагался между подуровнем физического кодирования сигнала (для любых вариантов кабеля использовался одинаковый метод физического кодирования — манчестерский код) и подуровнем физического присоединения к среде, а интерфейс МII располагается между подуровнем МАС и подуровнями кодирования сигнала, которых в стандарте Fast Ethernet  три — FХ, ТХ и Т4.
          Разъем МII в отличие от разъема АUI имеет 40 контактов, максимальная длина кабеля МII составляет один метр. Сигналы, передаваемые по интерфейсу МII, имеют амплитуду 5 В.
    Физический уровень 100Вasе-FХ - многомодовое оптоволокно, два волокна
    Эта спецификация определяет работу протокола Fast Ethernet: по многомодовому оптоволокну в полудуплексном и полнодуплексном режимах на основе хорошо проверенной схемы кодирования FDDI. Как и в стандарте FDDI, каждый узел соединяется с сетью двумя оптическими волокнами, идущими от приемника (Rx) и от передатчика (Тх).
             Между спецификациями 100Ваsе-FХ и 100Ваsе-ТХ есть много общего, поэтому общие для двух спецификаций свойства будут даваться под обобщенным названием 100Ваsе-FХ/ТХ.
         В то время как Ethernet  со скоростью передачи 10 Мбит/с использует манчестерское кодирование для представления данных при передаче по кабелю, в стандарте Fast Ethernet определен другой метод кодирования — 4В/5В. Этот метод уже показал свою эффективность в стандарте FDDI и без изменений перенесен в спецификацию 100Ваsе-FХ/ТХ. При этом методе каждые 4 бита данных подуровня МАС (называемых символами) представляются 5 битами.


    Избыточный бит позволяет применить потенциальные коды при представлении каждого из пяти бит в виде электрических или оптических импульсов. Существование запрещенных комбинаций символов позволяет отбраковывать ошибочные символы, что повышает устойчивость работы сетей с 100Bаsе-FХ/ТХ.

    Риc. 3.22. Непрерывный поток данных спецификаций 100Ваsе-FХ/ТХ
           Для отделения кадра Ethernet  от символов Idlе используется комбинация символов Start Delimiter (пара символов J (11000) и К (10001) кода 4В/5В, а после завершения кадра перед первым символом Idlе вставляется символ Т (рис. 3.22).
          После преобразования 4-битовых порций кодов МАC в 5-битовые порции физического уровня их необходимо представить в виде оптических или электрических сигналов в кабеле, соединяющем узлы сети. Спецификации 100Ваsе-FХ и 100Ваsе-ТХ используют для этого различные методы физического кодирования —NRZI и МLТ-3 соответственно (как и в технологии FDDI при работе через оптоволокно и витую пару).
    Физический уровень 100Ваsе-ТХ - витая пара UТР Саt 5 или SТР Туре 1, две пары
    В качестве среды передачи данных спецификация 100Ваsе-ТХ использует кабель UTP категории 5 или кабель SТР Туре 1. Максимальная длина кабеля в обоих случаях —100 м.
          Основные отличия от спецификации 100Ваsе-FХ — использование метода МLТ-3 для передачи сигналов 5-битовых порций кода 4В/5В по витой паре, а также наличие функции автопереговоров (Аutо-negotiation) для выбора режима работы порта. Схема автопереговоров позволяет двум соединенным физически устройствам, которые поддерживают несколько стандартов физического уровня, отличающихся битовой скоростью и количеством витых пар, выбрать наиболее выгодный режим работы. Обычно процедура автопереговоров происходит при подсоединении сетевого адаптера, который может работать на скоростях 10 и 100 Мбит/с, к концентратору или коммутатору.
           Описанная ниже схема Аutо-negotiation сегодня является стандартом технологии 100Ваsе-Т. До этого производители применяли различные собственные схемы автоматического определения скорости работы взаимодействующих портов, которые не были совместимы.


    Принятую в качестве стандарта схему Аutо- negotiation предложила первоначально компания National Semiconductor  под названием NWay.
         Всего в настоящее время определено 5 различных режимов работы, которые могут поддерживать устройства 100Ваsе-ТХ или 100Ваsе-Т4 на витых парах:
    •    10Ваsе-Т — 2 пары категории 3;
    •    10Ваsе-Т full-duplex — 2 пары категории 3;
    •    100Ваsе-ТХ - 2 пары категории 5 (или Туре 1А SТР);
    •    100Ваsе-Т4 — 4 пары категории 3;
    •    100Ваsе-ТХ full-duplex - 2 пары категории 5 (или Туре 1А SТР).
           Режим 10Ваsе-Т имеет самый низкий приоритет при переговорном процессе, а полнодуплексный режим 100Ваsе-Т4 — самый высокий. Переговорный процесс происходит при включении питания устройства, а также может быть инициирован в любой момент модулем управления устройства.
          Устройство, начавшее процесс аuto-negotation, посылает своему партнеру пачку специальных импульсов Fast Link Pulse burst (FLP), в котором содержится 8-битное слово, кодирующее предлагаемый режим взаимодействия, начиная с самого приоритетного, поддерживаемого данным узлом.
          Если узел-партнер поддерживает функцию аuto-negotation  и также может поддерживать предложенный режим, он отвечает пачкой импульсов FLР, в которой подтверждает данный режим, и на этом переговоры заканчиваются. Если же узел-партнер может поддерживать менее приоритетный режим, то он указывает его в ответе, и этот режим выбирается в качестве рабочего. Таким образом, всегда выбирается наиболее приоритетный общий режим узлов.
            Узел, который поддерживает только технологию 10Ваsе-Т, каждые 16 мс посылает манчестерские импульсы для проверки целостности линии, связывающей его с соседним узлом. Такой узел не понимает запрос FLР, который делает ему узел с функцией Auto-negotation , и продолжает посылать свои импульсы. Узел, получивший в ответ на запрос РЬР только импульсы проверки целостности линии, понимает, что его партнер может работать только по стандарту 10Ваsе-Т, и устанавливает этот режим работы и для себя.

    Содержание раздела