Спецификации физической среды Ethernet
История
Ethernet – самый распространенный в настоящее время стандарт локальных сетей. Общее количество сетей, работающих по протоколу Ethernet, оценивается в 5 миллионов, а количество компьютеров с установленными сетевыми адаптерами Ethernet — в 50 миллионов (Сеть Ethernet).
Технология Ethernet имеет несколько вариантов. В более узком смысле Ethernet – сетевой стандарт, основанный на экспериментальной сети Ethernet Network, которую фирма Xerox разработала и реализовала в 1975 году. Метод доступа был опробован еще раньше – во второй половине 60-х годов в радиосети Гавайского университета, где использовались различные варианты случайного доступа к общей среде, получившие 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, который стал последней версией фирменного стандарта Ethernet. Поэтому фирменную версию стандарта Ethernet называют стандартом Ethernet DIX или Ethernet II.
На основе стандарта Ethernet DIX был разработан стандарт IEEE 802.3. Они во многом совпадают, но некоторые различия все же имеются. В стандарте IEEE 802.3 различаются уровни MAC и LLC, в оригинальном Ethernet оба эти уровня объединены в единый канальный уровень. Несколько
отличается и формат кадра. Чтобы отличить Ethernet по стандарту IEEE и фирменный Ethernet DIX, первый называют технологией 802.3, а второй просто Ethernet.
В зависимости от типа физической среды стандарт IEEE 802.3 имеет различные модификации – 10Base-5, 10Base-2, 10Base-T, 10Base-FL, 10Base-FB. В 1995 году был принят стандарт Fast Ethernet, описание которого дано в разделе 802.3u. Аналогично принятый в 1998 году стандарт Gigabit Ethernet описан в разделе 802.3z основного документа.
Для передачи двоичной информации по кабелю для всех вариантов физического уровня, обеспечивающих пропускную способность 10 Мбит/с, используется манчестерский код. Все виды стандартов Ethernet, в том числе Fast Ethernet и Gigabit Ethernet, используют один и тот же метод доступа к среде передачи данных – метод CSMA/CD.
Оригинальный стандарт IEEE 802.3 определяет следующие параметры:
Ø сетевая топология – шина,
Ø сетевой кабель – коаксиальный,
Ø скорость передачи – 10 Мбит/с,
Ø максимальная длина сети – 2500 м,
Ø максимальное количество узлов – 1024,
Ø максимальная длина сегмента сети – 500 м,
Ø максимальное количество узлов в одном сегменте – 100.
В случае обнаружения коллизии устройство прекращает передачу и передает специальную 32-битную jam-последовательность (затор, пробка в коммуникационной сети), усиливающую коллизию. Длина паузы при коллизии вычисляется по формуле:
Длина паузы = L * 512 битовых интервалов (51,2 мкс),
где L – значение равномерной случайной величины из интервала [0, 2N],
N = max (10, номер_попытки_передачи).
Формат кадра. По стандартам IEEE в сети Ethernet может использоваться только единственный вариант кадра канального уровня, заголовок которого является комбинацией заголовков MAC и LLC подуровней. На практике в сетях Ethernet на канальном уровне используются кадры 4-х различных форматов. Это связано с историей развития технологии Ethernet, когда до принятия стандартов IEEE 802 подуровень LLC не выделялся из общего протокола.
Фирмы Digital, Intel и Xerox в 1980 году представили на рассмотрение комитету 802.3 свою фирменную версию стандарта Ethernet, в которой был описан и формат кадра, в качестве проекта международного стандарта. Но комитет принял стандарт, отличающийся в некоторых деталях от предложения DIX. Отличия касались и формата кадра, что породило
существование двух различных типов кадров в сетях Ethernet.
Еще один формат кадра появился в результате усилий компании Novell по ускорению работы своего стека протоколов в сетях Ethernet. Четвертый формат кадра стал результатом деятельности комитета 802.2 по приведению предыдущих форматов кадров к некоторому общему стандарту.
Сегодня практически все сетевые адаптеры, драйверы сетевых адаптеров, мосты/коммутаторы и маршрутизаторы умеют работать со всеми используемыми на практике форматами кадров технологии Ethernet, причем распознавание типа кадра выполняется автоматически.
В качестве примера рассмотрим кадр 802.3/LLC, или 802.3/802.2, или Novell 802.2. Под кадром понимается весь набор полей, которые относятся к канальному уровню, то есть поля MAC и LLC уровней.
Поле преамбулы (8 байт) состоит из:
Ø семи синхронизирующих байт 10101010,
Ø одного байта 10101011 – начальный ограничитель кадра является признаком начала кадра,
Ø MAC-адреса приемника (6 байт),
Ø MAC-адреса источника (6 байт),
Ø длины поля данных кадра (2 байта),
Ø поля данных (от 0 до 1500 байт),
Ø поля заполнения (от 0 до 46 байт), если длина поля данных меньше 46 байт, данное поле дополняет данные до 46 байт,
Ø поля контрольной суммы (4 байта) – Frame Check Sequence (FCS) содержит 32-разрядную циклическую контрольную сумму пакета CRC-32.
При отсутствии коллизий коэффициент использования сети имеет максимальное значение 0,96. В реальных условиях при коэффициентах использования сети больших 0,5 ее производительность резко падает из-за роста числа коллизий.
Спецификации физической среды Ethernet
Исторически первые сети технологии Ethernet были созданы на коаксиальном кабеле диаметром 0,5 дюйма. В дальнейшем были определены и другие спецификации физического уровня для стандарта Ethernet, позволяющие использовать различные среды передачи данных. Метод доступа CSMA/CD и все временные параметры остаются одними и теми же для любой спецификации физической среды технологии Ethernet 10 Мбит/с.
Физические спецификации технологии Ethernet на сегодняшний день включают следующие среды передачи данных.
Ø 10Base-5 — коаксиальный кабель диаметром 0,5 дюйма, называемый толстым. Имеет волновое сопротивление 50 Ом. Максимальная длина сегмента без повторителей – 500 м.
Ø 10Base-2 – коаксиальный кабель диаметром 0,25 дюйма, называемый тонким. Имеет волновое сопротивление 50 Ом. Максимальная длина сегмента без повторителей – 185 м.
Ø 10Base-T – кабель на основе неэкранированной витой пары (Unshielded Twisted Pair, UTP). Образует топологию звезда на основе концентратора. Расстояние между концентратором и конечным узлом – не более 100 м.
Ø 10Base-F — волоконно-оптический кабель. Топология аналогична топологии стандарта 10Base-T. Имеется несколько вариантов этой спецификации — FOIRL (расстояние до 1000 м), 10Base-FL (расстояние до 2000 м), 10Base-FB (расстояние до 2000 м).
Число 10 в указанных выше названиях обозначает битовую скорость передачи данных – 10 Мбит/с, а слово Base — метод передачи на одной
базовой частоте 10 МГц. Последний символ обозначает тип кабеля.
Аппаратура 10BASE5
Стандарт 10BASE5 определяет сегмент Ethernet на основе толстого коаксиального кабеля с топологией шина длиной до 500 м.
По стандарту к одному сегменту можно подключить не более 100 абонентов. Расстояния между точками их подключения не должно быть меньше, чем 2,5 м.
Аппаратные средства 10BASE5 представлены на рис. 4.6. Они включают в себя кабель, разъемы, терминаторы, трансиверы и трансиверные кабели. Трансивер представляет собой активный приемопередатчик с детектором коллизий и гальванической развязкой.
Рис. 4.6. Аппаратура 10BASE5
При выполнении сегмента сети на базе толстого кабеля желательно использовать один кусок кабеля или брать все его куски из одной партии одного производителя. Иначе на стыках разнородных кабелей могут быть искажения сигналов. Никаких ответвлений и разветвлений толстого кабеля не допускается.
На обоих концах кабеля сегмента должны быть установлены 50-омные терминаторы N-типа, один (и только один) из которых надо заземлить. Для присоединения сетевых адаптеров к толстому кабелю служат специальные трансиверы (рис. 4.7).
Максимальное количество сегментов при реализации всей сети только на толстом коаксиальном кабеле не должно превышать пяти (общая длина сети – 2,5 км). Для соединения пяти сегментов потребуется четыре репитера. При этом должно применяться так называемое правило 5-4-3, то есть не более 5 сегментов, не более 4 репитеров и не более 3 сегментов, к которым могут быть присоединены компьютеры (рис. 4.8).
Рис. 4.7. Подсоединение адаптера к толстому кабелю
В настоящее время аппаратура 10BASE5 практически не используется, но в некоторых случаях она еще применяется для организации базовой сети. Доля сетевых адаптеров с 15-контактными разъемами сейчас не превышает 5%.
Рис. 4.8. Соединение сегментов 10BASE5 по правилу 5-4-3
Аппаратура 10BASE2
Стандарт 10BASE2 определяет сегмент Ethernet на основе тонкого коаксиального кабеля с топологией шина длиной до 185 метров (цифра 2 в названии сегмента). Данный тип сегмента появился позже, чем сегмент 10BASE5, как более удобная и дешевая альтернатива классическому варианту Ethernet.
Самый большой недостаток тонкого кабеля – меньшая допустимая длина сегмента. Его электрические параметры – затухание, помехозащищенность – хуже, чем у толстого кабеля, что и определяет меньшую допустимую длину сегмента.
Аппаратура для работы с тонким кабелем (рис. 4.9) гораздо проще. Помимо сетевых адаптеров требуются только кабели соответствующей длины, разъемы, Т-коннекторы и терминаторы (один с заземлением).
Рис. 4.9. Аппаратура 10BASE2
Между каждой парой абонентов прокладывается отдельный кусок кабеля с двумя байонетными разъемами типа BNC на концах. Минимальное расстояние между абонентами – 0,5 м. Общее количество абонентов на одном сегменте не должно превышать 30.
Допускается, хотя и не рекомендуется соединение кусков кабеля между собой с помощью Barrel-коннекторов. Разъемы на кабель могут припаиваться, но чаще устанавливаются с помощью специального обжимного инструмента, причем надо следить, чтобы обжимной инструмент соответствовал марке выбранного разъема.
К плате адаптера присоединяется BNC T-коннектор, связывающий плату с двумя кусками кабеля. Гальваническую развязку осуществляет сам адаптер. Металлический корпус BNC- разъема гальванически развязан с корпусом компьютера. Соединять их нельзя.
Если в структуре сетевого адаптера предусмотрено переключение режимов тумблерами или перемычками Ethernet – Cheapernet, надо переключить адаптер в режим Cheapernet. Это распространенное название сегмента 10BASE2 вообще и тонкого коаксиального кабеля в частности.
Пример соединения компьютеров в сеть с помощью тонкого кабеля показан на рис. 4.10. Как и в случае толстого кабеля реализуется стандартная топология шина. На концах кабеля включаются 50-омные терминаторы, один и только один из которых необходимо заземлить.
Рис. 4.10. Соединение компьютеров сети тонким кабелем
Если вся сеть выполняется на тонком кабеле, то, согласно стандарту, необходимо соблюдать правило "5-4-3", то есть только на трех сегментах могут располагаться компьютеры. К одному сегменту может подключаться до 30 абонентов, включая и репитеры.
До недавнего времени аппаратура 10BASE2 была самой популярной. Но сейчас ее все больше вытесняет 10BASE-T.
Аппаратура 10BASE-T
Стандарт 10BASE-T определяет сегмент Ethernet на основе неэкранированных витых пар (UTP) категории 3 и выше с топологией пассивная звезда. Это самый поздний стандарт Ethernet на основе электрического кабеля. Он считается перспективным, и практически вытеснил сегменты 10BASE5 и 10BASE2.
Данный тип сегмента Ethernet имеет все преимущества и недостатки пассивной звезды. С одной стороны, он дороже шинного сегмента 10BASE2, так как требует обязательного применения концентратора (hub). Суммарное количество кабеля, необходимого для объединения такого же количества компьютеров, оказывается гораздо больше, чем в случае шины. С другой стороны, обрыв кабеля не приводит к отказу всей сети. Монтаж и диагностика сети проще. Кроме того, к каждому компьютеру подводится один кабель, а не два, как в случае 10BASE2, не нужно применять также внешние терминаторы и заземлять сеть. Но главное преимущество 10BASE-T в том, что только данный стандарт благодаря использованию передачи точка-точка позволяет выполнить плавный перевод сети Ethernet в сеть Fast Ethernet.
В сегменте 10BASE-T передача сигналов осуществляется по двум витым парам проводов, каждая из которых передает только в одну сторону. Кабелем, содержащим такие двойные витые пары, каждый из абонентов сети присоединяется к хабу. Концентратор производит смешение сигналов от абонентов для реализации метода доступа CSMA/CD, то есть в данном случае реализуется топология пассивная звезда, которая равноценна топологии шина.
Использование двух встречно направленных витых пар упрощает задачу детектирования коллизий. Коллизия детектируется тогда, когда имеется входной сигнал во время передачи.
Возможно соединение нескольких концентраторов между собой для получения древовидной структуры. Каждый концентратор помимо обычных портов для присоединения абонентов содержит порт расширения, который служит для присоединения к концентратору более высокого уровня. Но концентраторы могут соединяться между собой и через обычные порты (рис. 4.11). Общее правило выбора конфигурации в данном случае выглядит так: между двумя абонентами не может быть больше четырех концентраторов.
Рис. 4.11. Соединение абонентов 10BASE-T с помощью концентраторов
Длина соединительного кабеля между адаптером и концентратором не должна превышать 100 м, минимальная длина – 2,5 м. Кабель применяется гибкий, диаметром около 6 мм. В настоящее время рекомендуется использовать кабель категории 5 или выше, который позволяет без проблем переходить на Fast Ethernet. Кабели присоединяются к адаптеру и к концентратору 8-контактными разъемами типа RJ-45, похожими на обычные 4-х контактные телефонные разъемы.
Особенностью адаптеров и концентраторов, рассчитанных на работу с витой парой, является наличие в них встроенного контроля правильности соединения сети. В отсутствии передачи информации они периодически (раз в 16,8 мс) передают тестовые импульсы, по наличию которых на приемном конце определяется целостность кабеля. Для визуального контроля правильности соединений предусмотрены специальные светодиоды, которые горят при правильном соединении аппаратуры. Это очень удобно и выгодно отличает сегмент 10BASE-T от 10BASE2 и 10BASE5, где подобная функция из-за шинной структуры не может быть использована.
Аппаратура 10BASE-FL
Применение оптоволоконного кабеля позволило значительно увеличить допустимую длину сегмента и помехоустойчивость передачи. Гальваническая развязка компьютеров сети достигается без всякой дополнительной аппаратуры в силу специфики среды передачи. Еще одно преимущество оптоволоконных кабелей состоит в возможности постепенного перехода на Fast Ethernet без замены кабелей, так как пропускная способность оптоволокна позволяет достигнуть не только 100 Мбит/с, но и более высоких скоростей передачи.
Передача информации идет по двум оптоволоконным кабелям, передающим сигналы в разные стороны, как и в 10BASE-T. Используют двухпроводные оптоволоконные кабели, содержащие два кабеля в общей внешней оболочке, но чаще – два одиночных кабеля. Стоимость оптоволоконного кабеля не слишком высока и близка к стоимости тонкого коаксиального кабеля. Но в целом аппаратура оказывается заметно дороже, так как требует использования дорогих оптоволоконных трансиверов.
Аппаратура 10BASE-FL имеет сходство как с аппаратурой 10BASE5 (применение внешних трансиверов), так и с аппаратурой 10BASE-T (применение топологии пассивная звезда и двух разнонаправленных кабелей). Схема соединения сетевого адаптера и концентратора показана на рис. 4.12.
Рис. 4.12. Соединение адаптера и концентратора в 10BASE-FL
Оптоволоконный трансивер называется FOMAU (Fiber Optic MAU). Он выполняет все функции обычного трансивера (MAU), но, кроме того, преобразует электрический сигнал в оптический при передаче и обратно при приеме. FOMAU также контролирует сигнал целостности линии связи. Целостность линии связи, как и в случае 10BASE-T, индицируется светодиодами. Имеются также сетевые адаптеры со встроенными трансиверами FOMAU, которые имеют только внешние оптоволоконные разъемы и не нуждаются в трансиверных кабелях.
Длина оптоволоконных кабелей, соединяющих трансивер и концентратор, может достигать 2 километров без применения каких бы то ни было ретрансляторов. Поэтому возможно объединение в сеть компьютеров, находящихся в разных зданиях.
Первоначально оптоволоконная связь применялась преимущественно для связи между репитерами. Затем были разработаны оптоволоконные трансиверы для подключения к репитеру отдельных компьютеров и стандарт 10BASE-F, включающий в себя следующие три типа сегментов:
Ø 10BASE-FL (Fiber Link) – широко распространен в настоящее время. Обеспечивает связь между двумя компьютерами, двумя репитерами или между компьютером и репитером. Максимальное расстояние – до 2000 м,
Ø 10BASE-FВ (Fiber Backbone) – предназначен для синхронного обмена между несколькими репитерами с целью образования базовой распределенной репитерной системы. Максимальное расстояние – до 2000 м, Совместим со стандартом 10BASE-FL, широкого распространения не получил.
Ø 10BASE-FP (Fiber Passive) – предназначен для объединения в топологию пассивная звезда без использования репитеров до 33 компьютеров с помощью специальных пассивных оптических разветвителей. Максимальное расстояние от компьютера до разветвителя – только 500 м, что объясняется сильным затуханием в пассивном оптическом разветвителе. Стандарт несовместим с 10BASE-FL. Широкого распространения также не получил.
Таким образом, сейчас реально используется только стандарт 10BASE-FL. В 10BASE-FL применяется мультимодовый кабель и свет с длиной волны 850 нанометров, однако имеется аппаратура и для использования одномодового кабеля (с предельной длиной до 5 км).
Стандартный оптоволоконный кабель 10BASE-FL должен иметь на обоих концах оптоволоконные байонетные ST-разъемы. Используются также оптоволоконные разъемы типа SC, присоединяемые подобно RJ-45 путем простого вставления в гнездо. Разъемы SC обычно жестко соединены по два для двух кабелей.
Пример соединения компьютеров с помощью оптоволоконного кабеля в топологию пассивная звезда показан на рис. 4.13.
Как и в случае 10BASE-T, несколько концентраторов могут объединяться между собой для получения древовидной топологии. Чаще сегмент 10BASE-FL как раз и используется для соединения двух концентраторов. А к концентраторам подключаются компьютеры по стандарту 10BASE-T. Таким образом, удается совместить достоинства обоих сегментов – низкую стоимость 10BASE-T и большие расстояния 10BASE-FL.
Для соединения компьютеров используется концентратор, имеющий оптоволоконные порты. Каждый компьютер снабжается своим трансивером и трансиверным кабелем, а также двумя оптоволоконными кабелями с соответствующими разъемами для подключения к концентратору.
Рис. 4.13. Объединение компьютеров в сеть по стандарту 10BASE-FL