Технология Ethernet

Технология Ethernet была разработана в исследовательском центре компании Xerox в 70-х годах и достигла своего нынешнего лидирующего положения в 80-х. Впервые термин Ethernet был использован Робертом Меткалфом в заметке, написанной им в этом исследовательском центре в мае 1973 года.

Технология Ethernet стала базой спецификации IEEE 802.3, которая была опубликована в 1980 году. Вскоре после этого компании Digital Equipment (DEC), Intel и Xerox совместно разработали и приняли вторую версию спецификации Ethernet, совместимую с IEEE 802.3. В настоящее время термин Ethernet чаще всего используют для описания всех локальных сетей, работающих в соответствии с принципами CSMA/CD (Carrier Sense MultipleAccess/Collision Detection) — множественного доступа 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, в котором 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 часть определяет, каким образом рабочая станция с сетевым адаптером «ловит» момент, когда ей следует 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), 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 рабочие станции пытаются передавать сообщения одновременно. Если две станции начнут передавать свои пакеты одновременно, передаваемые данные належатся друг на друга и ни одно из сообщений не дойдет до получателя. Такую ситуацию называют конфликтом или коллизией (сигналы одной станции перемешаются с сигналами другой). Collision Detection требует, чтобы станция прослушала сеть также и после передачи пакета. Если обнаруживается конфликт, станция повторяет передачу пакета через случайным образом выбранный промежуток времени. Затем она вновь проверяет, не произошел ли конфликт. Термин «множественный доступ» подчеркивает тот факт, что все станции имеют одинаковое право на доступ к сети.

Если одна из станций обнаружит коллизию, она пошлет специальный сигнал, предупреждающий другие станции о произошедшем конфликте. При коллизии уничтожаются все данные в сети. После коллизии станции пытаются передать данные повторно. Для того чтобы предотвратить одновременную передачу, был разработан специальный механизм прерываний, который предписывает каждой станции выждать случайный промежуток времени перед повторной передачей. Станция, которой достался самый короткий период ожидания, первой получит право на очередную попытку передать данные, а остальные определят, что сеть занята и вновь будут ожидать. Единицей измерения времени ожидания является удвоенное время распространения сигнала из конца в конец отрезка кабеля, равное примерно 51.2 мс. После первого конфликта каждая станция ждет 0 или 1 единицу времени, прежде чем попытается возобновить передачу. Если снова произошел конфликт, что может быть, если две станции выбрали одно и то же число, то каждая из них выбирает одно из четырех случайных чисел: 0, 1, 2, 3. Если и в третий раз произошел конфликт, случайное число выбирается из интервала 0-7 и т. д. После десяти последовательных конфликтов интервал выбора случайных чисел фиксируется и становится равным 0-1023. После шестнадцати конфликтов контроллер отказывается от дальнейших попыток передать кадр и сообщает об этом компьютеру. Все дальнейшие действия по выходу из сложившейся ситуации осуществляются под руководством протоколов верхнего уровня. 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 определения факта коллизии. Если сигнал, который станция регистрирует, отличается от передаваемого ею, значит, произошла коллизия. Поэтому должен существовать механизм, позволяющий различать сигналы в кабеле. Этот механизм был найден — им стало манчестерское кодирование и дифференциальное манчестерское кодирование сигнала.

При манчестерском кодировании каждый интервал времени, в течение которого происходит передача одного бита, разделяется на две половинки. Единичный бит кодируется высоким напряжением в первой половине и низким напряжением во второй. Нулевой бит кодируется противоположным образом. Изменение напряжения в середине интервала облегчает 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). Изменение напряжения в начале бита означает, что это нулевой бит.

Недостатком схемы манчестерского кодирования 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) и единичного бита ненулевым напряжением (5 В). Сеть Ethernet относится к категории широковещательных. В таких сетях все станции видят все кадры в независимости от того, являются ли они их получателями. Каждая станция должна проверять, не ей ли предназначаются передаваемые данные. Полученные данные передаются на следующий уровень.

В технологии Ethernet данные могут передаваться по коаксиальному или оптическому кабелю, а также через витую пару. Чаще всего при построении локальных сетей на основе этой технологии оптический кабель используется для формирования магистрали сети, в то время как витая пара применяется для подключения станций и серверов. Спецификации Ethernet были созданы в то время, когда для быстрой передачи данных требовались коаксиальные кабели. Необходимость перехода на менее дорогие телефонные кабели и попытка смягчить последствия разрыва коаксиального кабеля стали причинами появления спецификации 10Base-T IEEE 802.3. Эта спецификация определяет технологию Ethernet для сетей, построенных на базе неэкранированных витых пар и телефонных кабелей. При этом допускается звездообразная топология. Приведем 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. Из-за этого спецификацию называют «толстым Ethernet». Каждый коаксиальный кабель в сети образует отдельный сегмент. Протяженность сегмента не может превышать 500 м, а число узлов не должно превосходить 100. Отрезок кабеля между соседними узлами должен быть не менее 2.5 м. Это позволяет уменьшить вероятность отражения и появления стоячих волн. Как правило, производители размечают кабель с целью упростить нахождение мест, где станция может быть подключена к сегменту. Сетевой адаптер подключается к кабелю с помощью трансиверного кабеля и трансивера. Длина трансиверного кабеля не должна превышать 50 м.

10Base2. Эта спецификация предусматривает использование тонкого ко­аксиального кабеля, а также соединителей 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.

10BaseT. Эта разновидность Ethernet получила наибольшее распространение. Буква Т в названии означает, что средой передачи является неэкранированная витая пара (Unshielded Twisted Pair, UTP). Спецификация предусматривает использование концентратора для подключения пользователей по топологии «звезда». Применение дешевых кабелей UTP является одним из основных преимуществ l0BaseT по сравнению со спецификациями 10Base2 и 10Base5. Подключение узлов к сети осуществляется с помощью телефонных гнезд RJ-45 и RJ-11 и четырехпарного телефонного кабеля UTP. Вилка RJ-45 вставляется напрямую в сетевую плату. Протяженность отрезка кабеля от концентратора до 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 приводит к высокой стоимости комплектующих. Однако 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 сегмента кабеля. Для создания более протяженной сети несколько кабелей могут соединяться с помощью повторителей. Повторитель представляет собой устройство физического уровня. Он принимает, усиливает и передает сигнал дальше. С точки зрения программного обеспечения последовательность кабельных сегментов, связанных повторителями, ничем не отличается от единого кабеля. Сеть может содержать несколько сегментов кабеля и несколько повторителей.

Теоретическая производительность сети Ethernet составляет 10 Мбит/cек. Однако нужно учитывать, что 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.

Можно проследить некоторую зависимость: в сетях с совместным 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 отдельные сегменты с помощью мостов, коммутаторов или маршрутизаторов. Это позволяет передавать между сегментами лишь необходимый трафик. Данные, посылаемые 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 совместным доступом к среде передачи, 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.