Ethernet

Матеріал з Вікі ЦДПУ
Перейти до: навігація, пошук

Ethernet – це найпоширеніший на сьогоднішній день стандарт локальних мереж. Загальна кількість мереж, що працюють за протоколом Ethernet у даний час, оцінюється в 5 мільйонів, а кількість комп'ютерів із установленими мережевими адаптерами Ethernet – у 50 мільйонів.

Коли говорять Ethernet, то під цим звичайно розуміють всі варіанти цієї технології. У більш вузькому смислі Ethernet – це мережевий стандарт, заснований на експериментальній мережі Ethernet Network, яку фірма Xerox розробила і реалізувала в 1975 році. Метод доступу був випробуваний ще раніше: у другій половині 60-х років у радіомережі Гавайського університету використовувалися різні варіанти випадкового доступу до загального радіосередовища, що одержали загальну назву Aloha. У 1980 році фірми DEC, Intel і Xerox спільно розробили й опублікували стандарт Ethernet версії II для мережі, побудованої на основі коаксіального кабелю, що став останньою версією фірмового стандарту Ethernet. Тому фірмову версію стандарту Ethernet називають стандартом Ethernet DIX чи Ethernet II.

На основі стандарту Ethernet DIX був розроблений стандарт IEEE 802.3, що багато в чому збігається зі своїм попередником, але деякі розходження все-таки є. У той час як у стандарті IEEE 802.3 виділено рівні MAC і LLC, в оригінальному Ethernet обидва ці рівні об'єднані в єдиний канальний рівень. У Ethernet DIX визначається протокол тестування конфігурації (Ethernet Configuration Test Protocol), який відсутній у IEEE 802.3. Дещо відрізняється і формат кадру, хоча мінімальні і максимальні розміри кадрів у цих стандартах збігаються. Часто для того, щоб відрізнити Ethernet, визначений стандартом IEEE, і фірмовий Ethernet DIX, перший називають технологією 802.3, а за фірмовим залишають назву Ethernet без додаткових позначень.

В залежності від типу фізичного середовища стандарт IEEE 802.3 має різні модифікації – 10BASE5, 10BASE2, 10BASE-T, 10BASE-F (10Base-FL, 10Base-FB).

У 1995 році був прийнятий стандарт Fast Ethernet, що багато в чому не є самостійним стандартом, про що говорить і той факт, що його опис є додатковим розділом до основного стандарту 802.3 – розділом 802.3і. Аналогічно, прийнятий у 1998 році стандарт Gigabit Ethernet описаний у розділі 802.3z основного документу.

Для передачі двійкової інформації кабелем, для усіх варіантів фізичного рівня технології Ethernet, що забезпечують пропускну здатність 10 Мбіт/с, використовується манчестерський код.

Усі види стандартів Ethernet (у тому числі і МЕРЕЖІ Fast Ethernet) використовують той самий метод поділу середовища передачі даних – метод CSMA/CD.

МЕТОД ДОСТУПУ CSMA/CD

У мережах Ethernet використовується метод доступу до середовища передачі даних, названий методом колективного доступу з розпізнаванням несучої і виявленням колізій (carrier-sense-multiply-access with collision detection, CSMA/CD).

Цей метод застосовується винятково в мережах з логічною загальною шиною (до яких відносяться і радіомережі, що породили цей метод). Усі комп'ютери такої мережі мають безпосередній доступ до загальної шини, тому вона може бути використана для передачі даних між будь-якими двома вузлами мережі. Одночасно всі комп'ютери мережі мають можливість негайно (з урахуванням затримки поширення сигналу по фізичному середовищу) одержати дані, що кожної з комп'ютерів почав передавати на загальну шину (мал. 3.3). Простота схеми підключення — це один з факторів, що визначили успіх стандарту Ethernet. Говорять, що кабель, до якого підключені всі станції, працює в режимі колективного доступу (Multiply Access, MA).

M3 3.gif

ВИНИКНЕННЯ КОЛІЗІЇ

Механізм прослуховування середовища і пауза між кадрами не гарантують від виникнення такої ситуації, коли дві чи більше станцій одночасно вирішують, що середовище вільне, і починають передавати свої кадри. Говорять, що при цьому відбувається колізія (collision), тому що вміст обох кадрів зіштовхується на загальному кабелі і відбувається перекручування інформації – методи кодування, використовувані в Ethernet, не дозволяють виділяти сигнали кожної станції із загального сигналу.

У прикладі, зображеному на малюнку, колізію породила одночасна передача даних вузлами 3 і 1.

M3 4.gif
Схема виникнення колізії

МАКСИМАЛЬНА ПРОДУКТИВНІСТЬ МЕРЕЖІ ETHERNET

Кількість оброблюваних кадрів Ethernet у секунду часто вказується виробниками мостів/комутаторів і маршрутизаторів як основна характеристика продуктивності цих пристроїв. У свою чергу, цікаво знати чисту максимальну пропускну здатність сегмента Ethernet у кадрах за секунду в ідеальному випадку, коли в мережі немає колізій і немає додаткових затримок, внесених мостами і маршрутизаторами. Такий показник допомагає оцінити вимоги до продуктивності комунікаційних пристроїв, тому що в кожен порт пристрою не може надходити більше кадрів за одиницю часу, ніж дозволяє це зробити відповідний протокол.

Для комунікаційного устаткування найбільш важким режимом є обробка кадрів мінімальної довжини. Це пояснюється тим, що на обробку кожного кадру міст, комутатор чи маршрутизатор витрачає приблизно той саме час, який зв'язаний з переглядом таблиці просування пакета, формуванням нового кадру (для маршрутизатора) і т.п. А кількість кадрів мінімальної довжини, що надходять на пристрій в одиницю часу, природно більше, ніж кадрів будь-якої іншої довжини. Інша характеристика продуктивності комунікаційного устаткування — біт у секунду — використовується рідше, тому що вона не говорить про те, якого розміру кадри при цьому обробляє пристрій, а на кадрах максимального розміру досягти високої продуктивності, вимірюваної в бітах у секунду набагато легше.

Для розрахунку максимальної кількості кадрів мінімальної довжини, що проходять по сегменту Ethernet, зауважимо, що розмір кадру мінімальної довжини разом із преамбулою складає 72 байт чи 576 біт (мал. 3.5.), тому на його передачу витрачається 57,5 мкс. Додавши міжкадровий інтервал у 9,6 мкс, отримаємо, що період проходження кадрів мінімальної довжини складає 67,1 мкс. Звідси максимально можлива пропускна здатність сегмента Ethernet складає 14 880 кадр/с.

M3 5.gif
Мал.3.5. До розрахунку пропускної здатності Ethernet

Відомо, що наявність у сегменті декількох вузлів знижує цю величину за рахунок чекання доступу до середовища, а також за рахунок колізій, що приводять до необхідності повторної передачі кадрів.

Кадри максимальної довжини технології Ethernet мають поле довжиною 1500 байт, що разом зі службовою інформацією дає 1518 байт, а з преамбулою складає 1526 байт чи 12 208 біт. Максимально можлива пропускна здатність сегмента Ethernet для кадрів максимальної довжини складає 813 кадр/с. Очевидно, що при роботі з великими кадрами навантаження на мости, комутатори і маршрутизатори досить відчутно знижується.

Тепер розрахуємо, якою максимальною корисною пропускною здатністю в бітах у секунду володіють сегменти Ethernet при використанні кадрів різного розміру.

Під корисною пропускною здатністю протоколу розуміється швидкість передачі даних користувачів, які переносяться полем даних кадру. Ця пропускна здатність завжди менше номінальної бітової швидкості протоколу Ethernet за рахунок декількох факторів:

службової інформації кадру; міжкадрових інтервалів (IPG); чекання доступу до середовища. Для кадрів мінімальної довжини корисна пропускна здатність дорівнює:

Сп = 14880 х 46 х 8 = 5,48 Мбіт/с.

Це набагато менше 10 Мбіт/с, але варто врахувати, що кадри мінімальної довжини використовуються в основному для передачі квитанцій, так що до передачі власне даних файлів ця швидкість відношення не має.

Для кадрів максимальної довжини корисна пропускна здатність дорівнює:

Сп = 813 х 1500 х 8 = 9,76 Мбіт/с,

що дуже близько до номінальної швидкості протоколу.

Ще раз підкреслимо, що такої швидкості можна досягти тільки в тому випадку, коли двом взаємодіючим вузлам у мережі Ethernet інші вузли не заважають, що буває вкрай рідко.

При використанні кадрів середнього розміру з полем даних у 512 байт пропускна здатність мережі складе 9,29 Мбіт/с, що теж досить близько до граничної пропускної здатності в 10 Мбіт/с.

При відсутності колізій і чекання доступу коефіцієнт використання мережі залежить від розміру поля даних кадру і має максимальне значення 0,976 при передачі кадрів максимальної довжини. Очевидно, що в реальній мережі Ethernet середнє значення коефіцієнта використання мережі може значно відрізнятися від цієї величини. Більш складні випадки визначення пропускної здатності мережі з урахуванням чекання доступу і відпрацьовування колізій будуть розглянуті нижче.

ФОРМАТИ КАДРІВ ТЕХНОЛОГІЇ ETHERNET

Стандарт технології Ethernet, описано у документі IEEE 802.3, який визначає єдиний формат кадру рівня MAC. Оскільки в кадр рівня MAC повинен вкладатися кадр рівня LLC, описаний у документі IEEE 802.2, то за стандартами IEEE у мережі Ethernet може використовуватися тільки один варіант кадру канального рівня, заголовок якого є комбінацією заголовків MAC і LLC підрівнів.

Проте на практиці в мережах Ethernet на канальному рівні використовуються кадри 4-х різних форматів (типів). Це пов'язано з тривалою історією розвитку технології Ethernet, що нараховує період існування до прийняття стандартів IEEE 802, коли підрівень LLC не виділявся з загального протоколу і, відповідно, заголовок LLC не застосовувався.

Консорціум трьох фірм Digital, Intel і Xerox у 1980 році подав на розгляд комітету 802.3 свою фірмову версію стандарту Ethernet (у який був, природно, описаний визначений формат кадру) як проект міжнародного стандарту, але комітет 802.3 прийняв стандарт, що відрізняється в деяких деталях від пропозиції DIX. Відмінності стосувалися і формату кадру, що породило існування двох різних типів кадрів у мережах Ethernet.

Ще один формат кадру з'явився в результаті зусиль компанії Novell по прискоренню роботи свого стека протоколів у мережах Ethernet.

І нарешті, четвертий формат кадру став результатом діяльності комітету 802.2 по приведенню попередніх форматів кадрів до деякого загального стандарту.

Розходження у форматах кадрів можуть приводити до несумісності в роботі апаратури і мережного програмного забезпечення, розрахованого на роботу тільки з одним стандартом кадру Ethernet. Однак сьогодні практично всі мережні адаптери, драйвери мережних адаптерів, мости/комутатори і маршрутизатори вміють працювати з усіма використовуваними на практиці форматами кадрів технології Ethernet, причому розпізнавання типу кадру виконується автоматично.

Нижче наводиться опис усіх чотирьох типів кадрів Ethernet (тут під кадром розуміється весь набір полів, що відносяться до канального рівня, тобто поля MAC і LLC рівнів). Той самий тип кадру може мати різні назви, тому нижче для кожного типу кадру приведене по декілька найбільш вживаних назв:

  • кадр 802.3/LLC (кадр 802.3/802.2 чи кадр Novell 802.2);
  • кадр Raw 802.3 (чи кадр Novell 802.3);
  • кадр Ethernet DIX (чи кадр Ethernet II);
  • кадр Ethernet SNAP.


Формати всіх цих чотирьох типів кадрів Ethernet приведені на малюнку

M3 6.gif

ОСОБЛИВОСТІ АПАРАТУРИ МЕРЕЖІ ETHERNET

Крім стандартної топології типу «шина» застосовуються також топології типу «пасивна зірка» і «дерево». При цьому передбачається використання репітерів і пасивних (репітерних) концентраторів, що з'єднують між собою різні частини (сегменти). Як сегмент може виступати одиничний абонент. Головне – щоб у результаті в отриманій топології не було замкнутих шляхів (петель). Фактично виходить, що абоненти з'єднані все в ту ж «шину», тому що сигнал від кожного з них поширюється відразу в усі боки і не повертається назад. Максимальна довжина кабелю всієї мережі в цілому (максимальний шлях сигналу) теоретично може досягати 6,5 км, але практично не перевищує 2,5 км.

Для мережі Ethernet, що працює на швидкості 10 Мбіт/с, стандарт визначає чотири основних типи середовища передачі.

Апаратура 10BASE5 (товстий кабель)

Апаратура 10BASE2 (тонкий кабель)

Апаратура 10BASE-T (скручена пара)

Оптоволоконний Ethernet 10BASE-F

Позначення середовища передачі містить у собі три елементи: цифра «10» означає швидкість передачі 10 Мбіт/с, слово BASE означає передачу в основній смузі частот (тобто без модуляції високочастотного сигналу), а останній елемент означає тип середовища передачі даних: «5» – “товстий коаксіал” (0,5 дюйма) «2» – “тонкий коаксіал” (0,25 дюйма), «Т» – скручена пара (англійською "twisted-pair"), «F» – оптоволокно (англійською –“fiber optic”).

ДОМЕН КОЛІЗІЙ

Домен колізій (collision domain) – це частина мережі Ethernet, усі вузли якої розпізнають колізію незалежно від того, у якій частині цієї мережі колізія виникла. Мережа Ethernet, побудована на повторювачах, завжди утворить один домен колізій. Домен колізій відповідає одному поділюваному середовищу. Мости, комутатори і маршрутизатори поділяють мережу Ethernet на декілька доменів колізій.

ВИБІР КОНФІГУРАЦІЇ ETHERNET

При виборі конфігурації мережі, що складається із сегментів різних типів, виникає багато питань, зв'язаних насамперед з максимально допустимим розміром мережі і максимально можливим числом різних елементів. Розглянемо коротко прості методи вирішення цих питань.

Розрахунок PDV

PDV - обчислення подвійного (кругового) часу проходження сигналу по мережі між двома найвіддаленішими елементами.

Розрахунок PVV

PVV - розрахунок перевіряє відповідність стандарту величини міжкадрового інтервалу. Ця величина не повинна бути меншою, ніж 96 бітових інтервалів (9,6 мкс). Однак при проходженні пакетів (кадрів) через репітери і концентратори міжкадровий інтервал може скорочуватися, у результаті два пакети можуть зрештою сприйматися як один.

RadioEthernet