У світі бізнесу організація надійного та ефективного доступу до інформації стала важливою умовою забезпечення переваги перед конкурентами. На зміну картотечним шафам і горам паперів прийшли комп'ютери, що зберігають та обробляють інформацію електронним способом. При цьому працівники, що перебувають на відстані тисяч миль, отримали можливість практично миттєво обмінюватися інформацією, а сотні працівників, що знаходяться в одному місці, можуть одночасно переглядати відкриті для перегляду в мережі результати досліджень.

Технології організації комп'ютерних мереж є тим клеєм, який пов'язує ці елементи докупи. Завдяки загальнодоступному Інтернету підприємства всього світу можуть обмінюватися інформацією один з одним і зі своїми клієнтами. У всесвітній комп'ютерній мережі (World Wide Web) є служби, за допомогою яких споживачі через Інтернет можуть купувати книги, одяг і навіть машини, а є аукціони, де такі речі можна продати, якщо вони більше не потрібні.

Переваги мережі

Завдяки мережі один комп'ютер має можливість обмінюватися інформацією з іншим. Користувачі навіть не завжди знають, як часто вони отримують інформацію з комп'ютерних мереж. Безперечно, найочевиднішим прикладом комп'ютерної мережі є Інтернет, який зв'язує мільйони комп'ютерів у всьому світі, але в поточній роботі для забезпечення доступу до інформації важливу роль відіграють менші мережі. Багато публічних бібліотек замінили свої карткові каталоги комп'ютерними терміналами, за допомогою яких користувачам легше і швидше здійснювати пошук потрібних книг. В аеропортах встановлюють численні екрани, що відображають інформацію про приліт та відправку повітряних суден. Багато магазинах роздрібної торгівлі є спеціалізовані комп'ютери до розрахунку за зроблені покупки. У кожному такому випадку завдяки мережі багато різних пристроїв, що розташовуються у різних місцях, отримують доступ до загального сховища даних.

Перш ніж заглиблюватися в деталі такого мережевого стандарту, як Ethernet, слід ознайомитися з основними термінами та визначеннями, що описують мережеві технології та визначають їх відмінності. Тож почнемо!

Локальна та глобальна мережа

Мережеві технології можна поділити на дві основні групи. Технології локальної мережі (Local area network, LAN) призначені обмінюватись інформацією між багатьма пристроями, що є порівняно неподалік друг від друга, зазвичай у одному будинку. Наприклад, бібліотечні термінали, призначені для надання інформації про книги, підключаються до локальної мережі. Технології глобальної мережі (Wide area network, WAN) служать зв'язку невеликої кількості пристроїв, що знаходяться на відстані багатьох кілометрів. Наприклад, якщо для двох бібліотек, що знаходяться в протилежних частинах міста, потрібно забезпечити загальний доступ до каталогу книг, швидше за все для цього буде використано технологію глобальної мережі, зокрема можна скористатися виділеною лінією, спеціально орендованої для цієї мети у телефонної компанії. Така лінія служитиме лише обмінюватись даними між цими бібліотеками.

Порівняно з глобальними мережами, локальні мережі здатні передавати більше інформації та більш надійні, проте вдосконалення технології передачі даних потроху стирає ці відмінності. Використання волоконно-оптичних кабелів відкрило можливість застосування технологій локальних мереж для з'єднання пристроїв, віддалених на десятки кілометрів, водночас збільшивши швидкість передачі даних та надійність глобальних мереж.

Ethernet

У 1973 році Боб Меткалф (Bob Metcalfe), дослідник науково-дослідного центру Palo Alto (відомого також як PARC) корпорації Xerox, створив та випробував першу мережу Ethernet. Вирішуючи проблему з'єднання комп'ютера "Alto" компанії Xerox з принтером, Меткалф розробив метод фізичного кабельного з'єднання пристроїв у мережі Ethernet, а також стандарти управління обміном інформацією в такому кабелі. З тих пір Ethernet розвинувся в найбільш популярну та найбільш широко використовувану у світі мережеву технологію. Багато притаманні Ethernet проблеми характерні й інших мережевих технологій, а знайомство з методами вирішення цих проблем допомагає краще зрозуміти загальні принципи роботи мереж.

Стандарт Ethernet у міру вдосконалення комп'ютерних мереж розростався, враховуючи появу нових технологій, проте принцип роботи кожної сучасної мережі Ethernet базується на початковому проекті Меткалфа. У вихідному варіанті Ethernet описувався обмін інформацією між усіма пристроями мережі з одного кабелю. Коли пристрій підключався до цього кабелю, він отримував можливість підтримувати зв'язок із будь-яким іншим приєднаним пристроєм. Така особливість мережі дозволяє проводити її розширення за рахунок підключення нових пристроїв без будь-яких налаштувань або змін, що стосуються вже підключених пристроїв.

Основні засади роботи мережі Ethernet

Ethernet – технологія локальних мереж, що переважно функціонують в одній будівлі та зв'язують близько розташовані пристрої. Найчастіше пристрої мережі Ethernet з'єднувалися кабелем довжиною трохи більше кількох сотень метрів, а об'єднання в мережу розподілених великої території об'єктів було економічно невигідно. Завдяки сучасним технічним досягненням вдалося істотно розширити допустимі відстані між об'єктами, тому сучасні мережі Ethernet можуть охоплювати території в десятки кілометрів.

Протоколи

У мережах під терміном "протокол" мається на увазі набір правил, які регламентують обмін інформацією. Протоколи для комп'ютерів – те, що мова для людей. Оскільки ця стаття викладається російською, читач, щоб зрозуміти написане, повинен уміти читати російською. Аналогічно, два пристрої мережі можуть успішно обмінюватися інформацією лише в тому випадку, якщо вони обидва розуміють однакові протоколи.

Термінологія мереж Ethernet

Основні операції мережі Ethernet підпорядковуються простому набору правил. Щоб зрозуміти ці правила, важливо розібратися в основний термінології Ethernet.

Канал передачі. – Пристрої мережі Ethernet підключаються до загального каналу передачі, яким передаються електричні сигнали. Історично склалося, що каналом передачі раніше був мідний коаксіальний кабель, проте в наш час для цих цілей частіше використовується кручена пара або волоконно-оптичний кабель.

Сегменти. – Сегментом мережі Ethernet називають один спільно використовуваний канал передачі.

Вузол. – Вузли називаються пристрої, що підключаються до сегмента.

Кадр (або кадр) – Вузли обмінюються короткими інформаційними повідомленнями, які називають кадрами. Кадр - порція інформації, розмір якої може змінюватись.

Кадри можна порівняти за функціональним призначенням із пропозиціями людської мови. У російській є правила, якими будуються пропозиції: у кожному реченні має бути підлягає і присудок. У протоколі Ethernet передбачено набір правил, які регламентують формування кадрів. Для кадру правилами прямо встановлюється максимальна та мінімальна довжина, а також вказується, яка в нього має запроваджуватися обов'язкова інформація. Наприклад, у кожному кадрі повинні бути адреси призначення та адреса джерела даних, за якими можна ідентифікувати відправника та одержувача. Подібно до того, як ім'я співвідноситься з певною людиною, адреса однозначно відповідає певному вузлу. Одна адреса Ethernet не може належати одночасно кільком пристроям.

Канал передачі Ethernet

Оскільки сигнал з каналу передачі надходить на кожен підключений вузол, знаходження одержувача кадру дуже важлива роль адреси призначення.

Наприклад, якщо до мережі підключено кілька комп'ютерів та принтер, при передачі інформації від одного з комп'ютерів до принтера інші комп'ютери також отримують та аналізують кадри даних. Отримавши кадр, станція спочатку перевіряє адресу призначення, щоб визначити, чи цей кадр призначений. При негативному результаті перевірки станція цурається прийому цього кадру, навіть не досліджуючи його вміст.

Цікавою особливістю системи адресації Ethernet є можливість використання широкомовної адреси. Кадр, в якому адресою призначення вказана широкомовна адреса, призначається для кожного вузла мережі і кадри такого типу обробляються всіма вузлами мережі

Багатостанційний доступ з аналізом стану каналу / виявлення конфліктів

Абревіатура CSMA/CD розшифровується як багатостанційний доступ із контролем каналу / виявленням конфліктів (carrier-sense multiple access with collision detection). Цим терміном позначається принцип, за яким протокол Ethernet керує обміном інформацією між вузлами. Назва дещо лякає, проте, якщо проаналізувати концепції складових такої системи, виявиться, що правила, які вона описує, дуже схожі на правила поведінки людей під час ввічливої ​​бесіди. Для наочності проілюструємо принципи функціонування Ethernet, скориставшись аналогією з розмовою за обіднім столом.

Умовимося, що обідній стіл відповідає сегменту Ethernet, а ввічливо розмовляючих за цим столом людей – вузлам мережі. Під терміном "багатостанційний доступ" мається на увазі описаний вище принцип: Інформація, що передається однією зі станцій Ethernet, надходить до всіх підключених до каналу передачі станцій точно так, як всі люди, що сидять за столом, можуть чути слова, які вимовляються будь-яким з них.

Тепер уявіть, що ви сидите за столом та хочете щось сказати. Але в цей час уже каже хтось інший. Оскільки це розмова вихованих людей, вам доведеться почекати, поки не зупиниться той, хто говорить, а не переривати його своєю фразою. Такий самий підхід описується в протоколі Ethernet під терміном "аналіз стану каналу" (carrier sense). Перш ніж станція почне передавати інформацію, вона прислухається до каналу, щоб з'ясувати, чи не веде передачу інша станція. Якщо інформації в каналі не виявиться, стнція приймає рішення, що настав сприятливий момент передавати свою інформацію.

Виявлення конфліктів

Багатостанційний доступ із аналізом стану каналу забезпечує гарний початок управління обміном інформацією, проте потрібно врегулювати ситуацію, що виникає в наступному випадку. Повернемося до аналогії з обіднім столом і уявімо, що в розмові настала пауза. Ви і ще одна людина бажаєте висловитися, причому обидва "аналізуєте стан каналу", визначаючи момент, коли ніхто не говорить, тому починаєте говорити приблизно в один і той же час. По термінології Ethernet, коли ви обоє починаєте одночасно говорити, виникає конфлікт.

Під час розмови із такої ситуації можна елегантно вийти. Обидва співрозмовники чують, що одночасно з їхньою реплікою говорить інша людина, тому вони можуть зупинитися, щоб дати можливість іншій стороні продовжити. Вузли Ethernet також стежать за станом каналу під час передачі, щоб переконатися, що в цей час вони тільки передають інформацію. Якщо станція визначає, що передана нею інформація спотворюється в каналі, що трапляється, коли в цей час інша станція починає передавати власне повідомлення, робиться висновок про те, що стався конфлікт. Окремий сегмент Ethernet іноді називають областю колізій, оскільки у ньому дві чи більше станцій що неспроможні одночасно передавати дані, не викликаючи конфлікту. Коли станція виявляє конфлікт, вона припиняє передачу даних, чекає протягом довільного відрізка часу, після чого, виявивши відсутність сигналу в каналі передачі, знову намагається передати свої дані.

Наявність паузи, що триває довільний час і наступної повторної спроби передачі даних – важлива частина протоколу. Якщо при спробі здійснення передачі даних відбувається конфлікт двох станцій, їм після цього знову потрібно буде передати дані. При наступній сприятливій передачі можливості обидві станції, залучені в попередній конфлікт, містять готові до передачі дані. Якщо при першій можливості вони знову почнуть передавати дані, то, найімовірніше, знову відбудеться конфлікт і знову виникне невизначеність. Випадкова затримка, яка використовується для боротьби з таким явищем, робить майже неймовірним виникнення серії з великої кількості конфліктів між будь-якими двома станціями.

Обмеження системи Ethernet

Як згадувалося вище, базою для цілої мережі Ethernet може бути єдиний спільно використовуваний кабель. Однак, для розмірів такої мережі є практичні обмеження. Головною проблемою є обмеження, що стосуються довжини кабелю, що спільно використовується.

Електричні сигнали поширюються кабелем дуже швидко, проте зі збільшенням пройденої відстані згасають. Крім того, сигнал може спотворитися внаслідок дії електричних перешкод від розташованих поблизу пристроїв (наприклад, люмінесцентних ламп). Щоб пристрої на протилежних кінцях кабелю отримували один від одного сигнал без перешкод та з мінімальною затримкою, довжина цього мережного кабелю повинна бути порівняно невеликою. Такі умови обмежують максимальну відстань між двома пристроями мережі Ethernet (діаметр мережі). Крім того, оскільки в системі CSMA/CD будь-який заданий момент часу інформація може передаватися тільки одним пристроєм, існують практичні обмеження, за кількістю пристроїв, які можуть співіснувати в одній мережі. Підключення надто великої кількості пристроїв до одного спільно використовуваного сегмента призведе до зростання кількості конфліктних ситуацій, пов'язаних із зверненням до каналу передачі. При цьому може виявитися, що кожному пристрою мережі доведеться неприпустимо довго чекати можливості передачі даних.

Інженери розробили низку мережевих пристроїв, які частково усувають такі проблеми. Багато з таких пристроїв призначені не тільки для Ethernet, але також використовуються в мережах інших типів.

Повторювачі

Першим каналом зв'язку мережі Ethernet, що набув широкого поширення, був мідний коаксіальний кабель. Максимальна довжинатакого кабелю складала 500 метрів. У великих будинках або студентських кампусах 500-метрового кабелю не завжди вистачає для підключення кожного мережевого пристрою. Проблема вирішується завдяки використанню повторювача.

Повторювачі підключаються до багатьох сегментів Ethernet, прослуховують інформацію в кожному з сегментів і транслюють всі інші підключені до нього сегменти виявлену в одному сегменті інформацію. Завдяки використанню багатьох кабелів та підключенню їх через повторювачі, можна суттєво збільшити діаметр мережі.

Поділ на сегменти

У нашій аналогії в компанії, що зібралася за обіднім столом, розмовляли небагато людей і обмеження тих, хто розмовляє до одного в будь-який заданий момент часу, не було істотним бар'єром для спілкування. А що станеться, якщо за столом буде багато людей, а в будь-який момент часу буде дозволено говорити тільки одному?

З практики ми знаємо, що за подібних умов аналогія не діє. Зазвичай, у великих групах людей одночасно виникає кілька різних розмов. Якби в людному приміщенні або на банкеті в кожний момент часу могла говорити тільки одна людина, багато хто, чекаючи своєї черги, так і не зміг би висловитися. Люди самі усувають таку проблему: Коли йдеться про голосове спілкування, людське вухо здатне виділяти з навколишнього шуму певну розмову. Це полегшує людям можливість розбитися під час вечірки на невеликі групи та розмовляти всім в одному приміщенні. Однак мережеві кабелі швидко та ефективно передають сигнали на великі відстані, тому в мережі такого природного відокремлення розмов не відбувається.

У міру збільшення розміру мереж Ethernet виникають проблеми навантаження. Якщо до одного сегменту підключено багато станцій і кожна з них генерує значний трафік, багато станцій при першій нагоді намагатимуться передати свої дані. У таких умовах почастішають конфлікти і може статися скорочення кількості успішних передач даних, що в кінцевому підсумку може призвести до неприпустимого збільшення часу, що минає до завішення операції передачі. Один із способів зменшення навантаження передбачає розбиття окремого сегмента на кілька сегментів, внаслідок чого створюється багато галузей колізій. Таке рішення породжує іншу проблему, оскільки тепер нові окремі сегменти що неспроможні обмінюватися інформацією друг з одним.

Мости

Для вирішення проблем, породжених розподілом на сегменти, у мережі Ethernet вводять мости. Мости з'єднують два або більше сегментів мережі, подібно до повторювачів, збільшуючи діаметр мережі, проте вони додатково допомагають регулювати трафік. Як і будь-який інший вузол, міст може передавати та приймати інформацію, однак він функціонує інакше, ніж звичайний вузол. Міст, як і повторювач, не виробляє свого трафіку, він лише повторює інформацію, прийняту з інших станцій. (Остання твердження не зовсім точне. Мости виробляють спеціальний кадр, що дозволяє їм обмінюватися інформацією з іншими мостами, проте ця тема у цій статті не розглядається).

Нагадаємо, що згідно з принципами багатостанційного доступу і спільно використовуваного каналу зв'язку Ethernet, на кожну підключену до каналу передачі станцію надходить кожна передана інформаційна посилка, незалежно від того, призначена вона для цієї станції чи ні. Використовуючи цю властивість, мости здійснюють ретрансляцію трафіку між сегментами. Зверніть увагу на рисунок. Сегменти 1 та 2 з'єднані мостом. Якщо станція A або B передає інформацію, міст також приймає інформацію, що передається в сегменті 1. Якою є реакція моста на цей трафік? Можна було б автоматично передати кадр у сегмент 2, як це робить повторювач, але таке рішення не позбавляє перевантаження, оскільки мережа діяла б тоді як один великий сегмент.

Одна з переваг мосту полягає в тому, що він може обмежувати в обох сегментах непотрібний трафік. Перед прийняттям рішення у тому, як обробляти кадр, аналізується його адресу призначення. Якщо кадр призначається станції A або B, то немає необхідності передавати кадр сегмент 2. У такому випадку міст не передає кадр сегмент 2. Можна сказати, що в цьому випадку міст відфільтровує або затримує кадр. Якщо адресою призначення вказана адреса станції C або D, або це широкомовна адреса, міст передає, або ретранслює кадр в сегмент 2. Завдяки ретрансляції пакетів, міст дає можливість обмінюватися інформацією будь-якому з чотирьох зображених на малюнку пристроїв. Крім того, завдяки фільтрації пакетів, коли це прийнятно, станції A та B отримують можливість обмінюватися інформацією в той же час, коли обмінюються інформацією станції C та D, тобто два обміни інформацією відбуваються одночасно!

Маршрутизатор. Логічне поділ на сегменти

Мости можуть зменшувати навантаження за рахунок того, що допускають здійснення багатьох обмінів інформацією одночасно в різних сегментах, але мають свої межі, що стосуються сегментування трафіку.

Важливою характеристикою мостів є їхня здатність пересилати широкомовні повідомлення Ethernet на всі підключені сегменти. Такий режим роботи необхідний у випадках, коли широкомовні повідомлення Ethernet призначені для всіх вузлів мережі, але в мережах з мостом, що надмірно розрослися, може породити проблеми. Якщо в мережі з мостом багато станцій видають широкомовні повідомлення, може виникнути таке сильне навантаження, начебто всі ці пристрої знаходилися в одному сегменті.

Маршрутизатори – удосконалені компоненти мереж, здатні розділити одну мережу на дві логічно розділені мережі. Широкомовні повідомлення Ethernet на своєму шляху до кожного сайту мережі проходять через мости, але не можуть пройти через маршрутизатори, оскільки маршрутизатор утворює для мережі логічний кордон.

Маршрутизатори діють за протоколами, які залежать від конкретних мережевих технологій, як-от Ethernet чи token ring (останню розглянемо пізніше). Такий підхід дозволяє маршрутизаторам взаємодіяти з різними мережевими технологіями, як локальної, так і глобальної мережі, і привів до їх широкого використання в пристроях, що розміщуються по всьому світу, що є частиною глобальної мережі Інтернет. Комутована мережа Ethernet

Сучасні варіанти реалізації мереж Ethernet часто не схожі свої історичні аналоги. Раніше безліч станцій мережі Ethernet з'єднувалися довгими ділянками коаксіального кабелю, а в сучасних мережах використовуються кабелі з крученими парами або оптичне волокно, що з'єднують станції за радіальною схемою. Колишні мережі Ethernet забезпечували швидкість передачі даних 10 Мбіт за секунду, тоді як сучасні можуть працювати на швидкості 100 Мбіт за секунду і навіть 1000 Мбіт за секунду!

Можливо, найбільш вражаючим прикладом прогресу сучасних мереж Ethernet є використання комутованих мереж Ethernet. У комутованих мережах спільно використовувані канали зв'язку старих мереж замінюють сегментами, виділеними окремо кожної станції. Ці сегменти підключаються до комутатора, який діє майже як міст Ethernet, але може з'єднувати багато таких сегментів, що ведуть кожен до своєї станції. Деякі сучасні комутатори можуть підтримувати сотні виділених сегментів. Оскільки кожен сегмент з'єднує лише два пристрої, комутатор та кінцеву станцію, кожна інформаційна посилка, перш ніж потрапити на інший вузол, надходить на комутатор. Комутатор, у свою чергу, спрямовує кадр по потрібному сегменту, так само, як це зробив би міст, але оскільки кожен сегмент містить лише один вузол, кадр надходить лише на пристрій з адресою призначення. Тому в комутованій мережі можна здійснювати багато обмінів інформації в один і той же час. (Щоб більше дізнатися про технології комутованих мереж, рекомендуємо прочитати статтю про те, як діють комутатори локальних мереж).

Повний дуплексний варіант Ethernet

Удосконалення системи комутованої мережі Ethernet спричинило створення дуплексного варіанта Ethernet. Термін із області передачі цифрових даних "Повний дуплексний режим" ("Full-duplex") характеризує можливість одночасного прийому та передачі даних.

Попередні системи Ethernet напівдуплексні, тобто в них інформація в кожний момент часу може передаватися лише в одному напрямку. У мережі, що повністю комутується, вузли можуть обмінюватися інформацією тільки з комутатором і ніколи – безпосередньо один з одним. У мережах, що комутуються, також використовують кабелі з крученою парою або оптоволоконні кабелі, але в тому і іншому випадку для прийому і передачі даних використовують окремі провідники. В оточенні такого типу станції Ethernet можуть обійтися без процесу виявлення конфліктів і передавати дані коли потрібно, оскільки є єдиними пристроями, які можуть отримати доступ до каналу передачі даних. Конфігурація такого типу забезпечує можливість кінцевим станціям передавати дані у бік комутатора одночасно з передачею від комутатора до них, утворюючи умови без конфліктів.

Ethernet чи стандарт 802.3?

Вам, мабуть, доводилося чути термін "802.3", який використовується замість терміну "Ethernet" або разом із ним. Терміном "Ethernet" спочатку називали реалізацію мережі, прийняту як стандарт компанії Digital, Intel і Xerox. (Тому його ще називають стандартом DIX).

У лютому 1980 року Інститутом інженерів з електротехніки та радіоелектроніки (Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE) було створено комітет із стандартизації мережевих технологій. У IEEE цей комітет назвали робочою групою 802 за датою створення. Кожен із підкомітетів робочої групи 802 займався окремим питанням організації мережі. Кожному підкомітету було надано номер, який у загальному виглядівиглядав як 802.X, причому складова X для кожного підкомітету була унікальною. Група 802.3 займалася стандартизацією функціонування мережі CSMA/CD за функціональними характеристиками еквівалентною DIX Ethernet.

Ethernet і стандарт 802.3 дещо відрізняються у термінології та у форматі даних кадру, проте за більшістю параметрів ідентичні. В даний час терміном "Ethernet" взагалі називають як DIX Ethernet, так і стандарт IEEE 802.3.

Альтернативні технології мережі. Token Ring

Найпоширенішою альтернативою локальним мереж Ethernet є розроблена компанією IBM мережева технологія token ring. У стандартах Ethernet регулювання доступу до каналу передачі вводяться вибрані за випадковим законом перерви між спробами передачі, тоді як стандарт token ring передбачає використання методу строго впорядкованого доступу. У мережі token ring вузли розташовуються як логічного кільця. Вузли посилають кадри по кільцю, причому кадр, що пройшов один раз усі кільце, видаляється.

Робота кільця починається з запуску маркера (по-англійськи token), що є спеціальним блоком даних, який гарантує станції, що отримала право передачі.

Маркер передається по кільцю, подібно до будь-якого кадру, поки не досягне станції, якій необхідно передати дані.

Така станція захоплює маркер і замінює кадр маркера на кадр з інформацією, який і видається станцією для передачі по мережі.

Коли цей кадр з даними повертається до станції, що передала його, остання видаляє кадр, створює новий маркер і відправляє його на наступний вузол кільця.

Вузли мережі token-ring не чекають на несучий сигнал і не стежать за можливістю конфлікту. Завдяки наявності маркерного кадру станції гарантується можливість передачі кадру з даними без побоювання, що їй завадить інша станція. Оскільки будь-яка станція після надсилання одного кадру з даними видає маркер, кожна станція кільця отримує в порядку черговості можливість передачі даних. Черговість встановлюється за заданим алгоритмом і без будь-яких привілеїв. Швидкість передачі в мережах token ring зазвичай становить від 4 до 16 Мбіт на секунду.

Ще однією технологією з передачею маркера є інтерфейс для доступу до розподілених даних по оптоволокну (Fiber-distributed data interface FDDI). Цей стандарт передбачає передачу інформації по двох оптоволоконних кільцях, причому напрямок передачі маркера в одному з них протилежно напрямку передачі в іншому. Мережі FDDI забезпечували швидкість передачі інформації 100 Мбіт на секунду, що спочатку сприяло зростанню їхньої популярності в умовах, коли була потрібна висока швидкість передачі. Однак з появою дешевшого та найпростішого в управлінні стандарту Ethernet зі швидкістю 100 Мбіт на секунду мережі FDDI використовуються все рідше.

Альтернативні технології мережі. Асинхронний режим передачі

Нарешті, остання мережна технологія, яку варто згадати, називається асинхронний режим передачі чи ATM. Мережі ATM розмивають різницю між локальними і глобальними мережами і здатні забезпечити надійний швидкісний зв'язок між безліччю різних пристроїв, що у різних частинах країни. Мережі ATM придатні для передачі не тільки даних, але також голосового та відеотрафіку, що робить їх багатофункціональними та розширюваними. Незважаючи на те, що прогнози, що обіцяли швидке визнання мереж ATM, не підтвердилися, ця технологія має великі шанси на успіх у майбутньому.

У той же час продовжує зростати популярність мереж Ethernet. Цей стандарт, що використовується в промисловості майже 30 років, популярний і добре вивчений, що полегшує конфігурацію мереж та пошук неполадок. У міру розвитку інших технологій, Ethernet, щоб витримати конкуренцію, еволюціонує, збільшується його швидкодія та підвищується функціональність.

Днем народження Ethernet можна вважати 22 травня 1973, коли Роберт Меткалф (Robert Metcalfe) і Девід Боггс (David Boggs) опублікували доповідну записку, в якій описувалася експериментальна мережа, побудована ними в Дослідницькому центрі фірми Xerox в Пало-Альто. При народженні мережа отримала ім'я Ethernet, базувалася на товстому коаксіальному кабелі та забезпечувала швидкість передачі даних 2,94 Мбіт/с. У грудні того ж року Меткалф опублікував докторську роботу "Packet Communication" ("Пакетний зв'язок"), а в липні 1976 р. Меткалф і Боггс випустили спільну працю "Ethernet: Distributed Packet Switching for Local Computer Networks" ("Ethernet: розподілена пакетна комутація" для локальних комп'ютерних сетей"). Таким чином, було створено теоретичну базу для подальшого розвитку технології. Ключовою фігурою у долі Ethernet стає Роберт Меткалф, який у 1979 р. для втілення своїх ідей у ​​життя створює власну компанію 3Com, одночасно починаючи працювати консультантом у Digital Equipment Corporation (DEC). У DEC Меткалф отримує завдання на розробку мережі, специфікації на яку не торкалися б патентів Xerox. Створюється спільний проект Digital, Intel та Xerox, відомий під назвою DIX. Завданням консорціуму DIX був переведення Ethernet з лабораторно-експериментального стану в технологію для побудови нових систем, що працюють із чималою на той час швидкістю передачі даних 10 Мбіт/с. Таким чином, Ethernet перетворювався з розробки Xerox на відкриту та доступну всім технологію, що виявилося вирішальним у становленні його як світового мережевого стандарту. У лютому 1980 р. результати діяльності DIX були представлені в IEEE, де незабаром було сформовано групу 802 для роботи над проектом. Ethernet закріплював свої позиції як стандарт. Для успішного впровадження технології важливе значення зіграли подальші кроки "батьків" Ethernet щодо взаємодії з іншими виробниками чіпів та апаратного забезпечення – так, наприклад, група розробників Digital представила чіп Ethernet та вихідні тексти його програмного забезпечення компаніям Advanced Micro Devices (AMD) та Mostek. В результаті можливість виробляти сумісні чіпсети Ethernet отримали інші компанії, що позначилося на якості заліза і зниження його вартості. У березні 1981 р. 3Com представила 10 Мбіт/с Ethernet-трансівер, а вересні 1982 р. - перший Ethernet-адаптер для ПК. Після виходу перших виробів, у червні 1983 IEEE затвердив стандарти Ethernet 802. 3 та Ethernet 10Base5. Як середовище передачі передбачався "товстий" коаксіальний кабель, а кожен вузол мережі підключався за допомогою окремого трансівера. Така реалізація виявилася дорогою. Дешевою альтернативою із застосуванням менш дорогого та тоншого коаксіального кабелю, став 10Base2 або ThinNet. Станції вже не вимагали окремих трансіверів для підключення до кабелю. У такій конфігурації Ehternet розпочав переможну ходу просторами екс-СРСР. Головними його перевагами була простота розгортання та мінімальна кількість активного мережевого обладнання. Одразу ж визначились і недоліки. На час підключення нових станцій доводилося зупиняти роботу всієї мережі. Для виходу мережі з ладу було достатньо обриву кабелю одному місці, тому експлуатація кабельної системи вимагала від технічного персоналу проявів прикладного героїзму. Наступним кроком розвитку Ethernet стала розробка стандарту 10Base-T, що передбачав як середовище передачі неекрановану кручену пару (Unshielded Twisted Pair - UTP). В основу цього стандарту лягли розробки SynOptics Communications під загальною назвою LattisNet, що належать до 1985 р. У 10Base-T використовувалася топологія "зірка", в якій кожна станція з'єднувалася з центральним концентратором (hub). Такий варіант реалізації усував необхідність переривання роботи мережі на час підключення нових станцій та дозволяв локалізувати пошук обривів проведення до однієї лінії концентратор-станція. Виробники отримали можливість вбудовувати у концентратори засоби моніторингу та управління мережею. У вересні 1990 IEEE затверджує стандарт 10Base-T.

Тут вам не Англія – копати треба глибше!
Військова мудрість

Ethernet 10Base5

Специфікація Ethernet 10Base5 передбачає виконання таких умов:

• Середовище передачі – "товстий" близько 12 мм у діаметрі коаксіальний кабель (RG-8 або RG-11) з хвильовим опором 50 Ом.
• Довжина кабелю між сусідніми станціями не менше ніж 2,5 м.
• Максимальна довжина сегмента мережі трохи більше 500 метрів.
• Загальна довжина всіх кабелів у сегментах трохи більше 2,500 метрів.
• Загальна кількість вузлів однією сегмент мережі трохи більше 100.
• Сегмент закінчується термінаторами, один із яких має бути заземлений.
• Відгалужувальні кабелі можуть бути як завгодно короткими, але відстань від трансівера до адаптера не більше 50 метрів.
• В ідеальному випадку відстань між сусідніми станціями має бути кратною 2,5 м. Деякі кабелі мають відповідне маркування через кожні 2,5 м для полегшення дотримання цієї умови.

Найбільшого поширення набуло підключення трансівера до кабелю за допомогою роз'ємів, що мають веселу назву "вампіри" (це через те, що при підключенні роз'єм проколює кабель до центральної жили). Підключення здійснюється без зупинки роботи мережі, на відміну від підключення через N-конектор. Кабелі в сегменті повинні братися з однієї котушки кабелю, що забезпечує однакові електричні параметри всіх відрізків, що підключаються.

У трансівері знаходиться активний приймач-передавач з детектором колізій та високовольтним (1-5 кВ) розділовим трансформатором, живлення забезпечується від AUI-порту адаптера.

Основні переваги 10Base5:велика довжина сегмента, хороша перешкодозахисність кабелю та висока напруга ізоляції трансівера. Завдяки цим якостям "товстий" Ethernet найчастіше застосовувався для прокладання базових сегментів (Backbone). Зараз цей стандарт практично повністю витіснений дешевшими та продуктивними реалізаціями Ethernet.

10Base2

Обмеження специфікації Ethernet 10Base2:

• Середовище передачі - "тонкий" (близько 6 мм діаметром) коаксіальний кабель (RG-58 різних модифікацій) з хвильовим опором 50 Ом.
• Довжина кабелю між сусідніми станціями не менше ніж 0,5 м.
• Максимальна довжина сегмента мережі трохи більше 185 метрів.
• Загальна довжина всіх кабелів у сегментах (з'єднаних через повторювачі) трохи більше 925 метрів.
• Загальна кількість вузлів однією сегмент мережі трохи більше 30 (включаючи повторювачі).
• Сегмент закінчується термінаторами, один із яких заземлюється.
• Відгалуження від сегмента неприпустимі.

Мережа Ethernet 10Base2 часто називають "тонкою Ethernet" або Thinnet через застосовуваний кабель. Це одна з найпростіших в установці та дешевих типів мереж. Топологія мережі – загальна шина. Кабель прокладається вздовж маршруту, де розміщені робочі станції, що підключаються до сегменту за допомогою Т-конекторів. Відрізки мережі, що з'єднують сусідні станції, підключаються до T-конекторів за допомогою BNC-роз'ємів. Для з'єднання двох відрізків кабелю застосовуються I-конектори. У мережі трохи більше 1024 станцій. Зараз 10base2 застосовується у "домашніх" мережах.

Правила побудови мереж, що використовують фізичну топологію „загальна шина”.

У цьому випадку діє правило 5-4-3, тобто:

• не більше ніж 5 сегментів мережі
• можуть бути об'єднані не більше ніж чотирма повторювачами
• при цьому станції можуть бути підключені не більше ніж до 3 сегментів, інші 2 можуть бути використані для збільшення загальної довжини мережі.

10Base-T

Відповідає стандарту IEEE 802.3i, прийнятому 1991 р.
Обмеження специфікації Ethernet 10Base-T:

• Середовище передачі - неекранований кабель на основі кручений пари (UTP - Unshielded Twisted Pair) категорії 3 і вище. При цьому задіяні 2 пари - одна на прийом, друга на передачу.
• Фізична топологія "зірка".
• Довжина кабелю між станцією та концентратором не більше 100 м.
• Максимальний діаметр мережі трохи більше 500 метрів.
• Кількість станцій у мережі не більше 1024.

У мережі 10Base-Т термін "сегмент" застосовують для з'єднання станція-концентратор. Додаткові витрати в 10Base2, пов'язані з необхідністю наявності концентратора та великою кількістю кабелю, компенсуються більшою надійністю та зручністю експлуатації. Індикатори, присутні навіть на простих концентраторах, дозволяють швидко знайти несправний кабель. Керовані моделі концентраторів здатні здійснювати моніторинг та управління мережею. Сумісність кабельної системи із стандартами Fast Ethernet збільшує пропускну здатність без зміни кабельних систем. Для закінчення кабелю використовуються восьмиконтактні роз'єми та розетки RJ-45.

10Base-F

Середовище передачі даних стандарту 10Base-F – оптоволокно. У стандарті повторюється топологія та функціональні елементи 10Base-T: концентратор, до портів якого за допомогою кабелю підключаються мережеві адаптери станцій. Для з'єднання адаптера з повторювачем використовується два оптоволокни - одне приймання, друге передачу.

Існує кілька різновидів 10Base-F. Першим стандартом для використання оптоволокна в мережах Ethernet був FOIRL(Fiber Optic Inter-Repeater Link). Обмеження довжини оптоволоконних лінійміж повторювачами 1 км за загальної довжини мережі трохи більше 2,5 км. Максимальна кількість повторювачів – 4.

У стандарті 10Base-FL, призначений для з'єднання станцій з концентратором, довжина сегмента оптоволокна до 2 км при загальній довжині мережі не більше 2,5 км. Максимальне число повторювачів також 4. Обмеження довжин кабелів дано багатомодового кабелю. Застосування одномодового кабелю дає змогу прокладати сегменти завдовжки до 20 км (!).

Існує також стандарт 10Base-FBпризначений для магістрального з'єднання повторювачів. Обмеження на довжину сегмента – 2 км при загальній довжині мережі 2,74 км. Кількість повторювачів - до 5. Характерною особливістю 10Base-FB є здатність повторювачів виявляти відмови основних портів і переходити на резервні за рахунок обміну спеціальними сигналами, що відрізняються від сигналів передачі даних.

Стандарти 10Base-FL та 10Base-FB не сумісні між собою. Дешевизна обладнання 10Base-FL дозволила йому випередити за поширеністю волоконно-оптичні мережі інших стандартів.

Закінчення оптоволоконних кабелів є значно складнішим завданням, ніж закінчення мідних кабелів. Необхідне точне поєднання осей світлопровідного матеріалу - волокон та конекторів. Типи конекторів в основному відрізняються один від одного розміром та формою напрямного обідка. Якщо найперших біконічних коннекторах використовувалися конічні обідки, нині використовуються коннектори типу SC (square cross-section), мають ободок квадратного перерізу. Для надійного закріплення конектора в гнізді в ранніх типах конекторів використовувалася байонетна (ST) або різьбова (SMA) фіксація. Зараз у конекторах SC використовується технологія "push-pull", що передбачає закріплення конектора в гнізді защіпкою. Конектори типу SC застосовуються у локальних мережах, а й у телекомунікаційних системах й у мережах кабельного телебачення.

Окрема проблема – з'єднання оптичних волокон. Надійне та довговічне з'єднання досягається зварюванням волокон, що потребує спеціального обладнання та навичок.

Область застосування оптоволокна в мережах Ethernet - це магістральні канали, з'єднання між будівлями, а також ті випадки, коли застосування мідних кабелів неможливе через великі відстані або сильні електромагнітні перешкоди на ділянці прокладання кабелю. На сьогоднішній день стандарт 10Base-F витісняється швидкісними стандартами Ethernet на оптоволоконному кабелі.

Правила побудови мереж, що використовують фізичну топологію "зірка"

Правило 5-4-3 можна інтерпретувати у разі наступним образом:

• каскадно можуть об'єднуватися не більше ніж 4 концентратори;
• "дерево" каскадованих концентраторів має бути побудовано таким чином, щоб між двома будь-якими станціями в мережі було не більше ніж 4 концентратори;

У змішаних мережах можуть бути винятки з цього правила - наприклад, якщо один з хабів підтримує не тільки кручену пару, але і оптоволоконний кабель, то допустима кількість концентраторів, що каскадуються, збільшується до 5.

Екзотика

10Broad36
Незвичайна технологія у сімействі Ethernet. Відрізняється способом передачі - широкосмугова ("broadband") замість вузькосмугової ("baseband"). У цьому випадку смуга пропускання кабелю поділяється на окремі частотні діапазони, що призначаються кожній службі. Як середовище передачі використовується коаксіальний кабель з хвильовим опором 75 Ом (звичайний телевізійний кабель). Причому 10 Broad36 "уживається" в одному кабелі з кабельним телебаченням.

Довжина сегмента мережі не більше 1800 метрів, а максимальна відстань між будь-якими двома станціями в мережі – 3600 м. Швидкість передачі 10 Mбіт/с. Підключення станцій здійснюється за допомогою трансіверів, що приєднуються до кабелю. Довжина кабелю AUI, що з'єднує трансівер зі станцією, не більше 50 м. Сегменти мережі 10Broad36 повинні термінуватися т.зв. "кінцевим головним" пристроєм, який розташовується на кінці одиничного або в корені множинних сегментів. З'єднання станцій у мережі здійснюється одним або двома кабелями. У першому випадку прийому і передачі сигналів виділяються різні канали частот. Передача станції надходить лише на "кінцевий головний" пристрій, який перетворює частоту, після чого передача приймається іншими станціями, підключеними до мережі. У другому випадку один із кабелів використовується для прийому, другий - для передачі. Сигнал досягає "кінцевого головного" пристрою, після чого проходить на інший кабель без зміни частоти та приймається будь-якою станцією в мережі. Повнодуплексний режим не підтримується. Технологія 10Broad36 не набула широкого поширення, ймовірно, через складність реалізації та високу вартість.

1Base5
Ця технологія відповідає стандарту IEEE 802.3e, затвердженому у 1987 році. Також відомий під ім'ям StarLAN. Топологія - "зірка", обмеження на довжину сегмента - 400 м. Працює з крученою парою категорії 2 і вище. Швидкість передачі – 1 Мбіт/с. Згадується, в основному, як частина не менш екзотичної UltraNet або в порядку перерахування – "і таке, мовляв, буває:-)". В даний час шансів на застосування не має через малу пропускну здатність.

Швидше... ще швидше...
Після того, як стандарт 10Base-T став переважним, визначивши середовище передачі мереж, що будуються - мідну кручену пару, розвиток технології пішло в напрямку збільшення швидкості передачі даних. Першою з технологій 100 Мбіт/с для локальних мереж була FDDI. За всіх переваг ця технологія була дорогою. Для здешевлення шляхом застосування кабелів на мідній крученій парі фірмою Crescendo була розроблена та запатентована схема кодування та скремблювання, що допускає повнодуплексну передачу "крапка-крапка" по UTP для стандарту CDDI. Пізніше саме ці специфікації лягли в основу стандарту 100Base-T, що переважає сьогодні у новостворених мережах. 100Base-T відповідає стандарту IEEE 802.3u, Затвердженому у 1995 році.

100Base-T має 2 різновиди реалізації - 100Base-TXі 100Base-T4. Розрізняються вони кількістю пар і категорією застосовуваного кабелю. 100Base-TX використовує 2 пари кабелів UTP категорії 5, 100Base-T4 використовує 4 пари кабелів категорії 3 або вище. Найбільшого поширення набув стандарт 100Base-TX, 100Base-T4 застосовується в основному в старих мережах, побудованих на UTP класу 3. Максимально допустима відстань від станції до концентратора 100 м, як і в 10Base-T , але у зв'язку зі зміною швидкості поширення сигналів мережі стандарту 100Base-T обмежено 200 м-коду.

100 Base-FX - реалізація Fast Ethernet з використанням як середовище передачі багатомодового оптоволоконного кабелю. Обмеження довжини сегмента – 412 метрів при використанні напівдуплексного режиму та 2 км – при використанні повнодуплексного.

...швидко, як тільки можливо
Прогрес – штука безупинна. 100 Мбіт/с - велика швидкість передачі, але для магістральних каналів її може вистачити. У 1996 р. розпочалися роботи зі стандартизації мереж Ethernet зі швидкістю передачі даних 1000 Мбіт/с, які називають Gigabit Ethernet. Був утворений Gigabit Ethernet Alliance, до якого увійшли 11 компаній: 3Com, Bay Networks, Cisco, Compaq, Granite Systems, Intel, LSI Logic, Packet Engines, Sun, UB Networks та VLSI Technology. На початку 1998 року до Альянсу входило вже понад 100 компаній. У червні 1998 р. приймається стандарт IEEE 802.3z, що використовує одномодові та багатомодові оптоволоконні кабелі, а також STP категорії 5 на короткі відстані (до 25 м). Настільки мала припустима відстань у разі застосування UTP обумовлювала сумнівну можливість практичного застосування такого варіанту. Положення змінилося з прийняттям у червні 1999 стандарту IEEE 802.3ab для передачі 1000 Мбіт/с по неекранованій кручений парі на відстані до 100 м.

Специфікації Gigabit Ethernet:

1000Base-LX:трансівери на довгохвильовому лазері, одномодовий та багатомодовий оптоволоконний кабель, обмеження довжини сегмента 550 м для багатомодового та 3 км для одномодового кабелю. Деякі фірми пропонують обладнання, що дозволяє будувати сегменти із застосуванням одномодового кабелю набагато більшої довжини – десятки кілометрів.

1000Base-SX:трансівери на короткохвильовому лазері та багатомодовий оптичний кабель. Обмеження довжини сегмента 300 м для кабелю з діаметром оптичного провідника 62.5 мкм та 550 м для кабелю з діаметром провідника 50 мкм.

1000Base-CX:екранована кручена пара. Обмеження довжини сегмента – 25 м.

1000Base-T:неекранована кручена пара. Обмеження довжини сегмента – 100 м.

Оскільки стандарт на оптоволоконний Gigabit Ethernet вийшов роком раніше, на ринку переважає обладнання, розраховане на роботу з оптичним фізичним інтерфейсом. Застосовувати або не застосовувати Gigabit Ethernet - питання, яке обговорюється в даний час. Зараз деякі вітчизняні мережі потребують такої високої пропускної спроможності. З урахуванням зниження цін, є сенс переходити на Gigabit Ethernet, коли всі інші можливості дійсно вичерпані, принаймні, в існуючих мережах. Але " пам'ятати " можливість переходу на Gigabit Ethernet необхідно, тому придбання комутаторів, дозволяють установку модулів з підтримкою цього стандарту представляється розумним.

Чи є межа швидкості технології Ethernet? На початку 2000 р. 3Com, Cisco Systems, Extreme Networks, Intel, Nortel Networks, Sun Microsystems та Worldwide Packets заснували 10 Gigabit Alliance. Завдання Альянсу – сприяти роботі комітету IEEE у розробці стандарту 802.3ae (10 Gigabit Ethernet), який планується прийняти навесні 2002 р. Робоча група IEEE вже опублікувала попередню інформаціюпро обмеження на довжину сегмента мережі з пропускною здатністю 10 Гбіт/с: до 100 метрів для багатомодового оптоволоконного кабелю, що використовується в даний час, і до 300 метрів для нового вдосконаленого багатомодового оптоволоконного кабелю. Існує кілька варіантів одномодового оптоволоконного кабелю: до 2 км для мережі групи будівель та 10 або 40 км для регіональної мережі.

Модель OSI
При детальному розгляді функціонування мереж часто згадується поняття рівнів взаємодії компонентів мережі. Як "лінійку" для визначення рівнів використовується модель OSI (Open System Interconnect - взаємодія відкритих систем), розроблена як опис структури ідеальної мережевої архітектури. У моделі OSI сім рівнів взаємодії розглядають процес обміну інформацією між пристроями в мережі. Кожен із рівнів мережі щодо автономен і розглядається окремо. Модель OSI використовується визначення функцій кожного рівня.

1) Фізичний рівень визначає електротехнічні, механічні, процедурні та функціональні характеристики активації, підтримки та дезактивації фізичного каналу між кінцевими системами. Специфікації фізичного рівня визначають рівні напруги, синхронізацію зміни напруги, швидкість передачі фізичної інформації, максимальні відстані передачі інформації, вимоги до середовища передачі, фізичні з'єднувачі та інші аналогічні характеристики.

2) Канальний рівень (Data Link) забезпечує надійний транзит даних через канал. Виконуючи це завдання, канальний рівень вирішує питання фізичної адресації, топології мережі, лінійної дисципліни (як кінцевій системі використовувати мережевий канал), повідомлення про несправності, впорядковану доставку блоків даних та управління потоком інформації. Зазвичай цей рівень розбивається на два рівні: LLC (Logical Link Control) у верхній половині, що здійснює перевірку на помилки, та MAC (Media Access Control) у нижній половині, що відповідає за фізичну адресацію та прийом/передачу пакетів на фізичному рівні.

3) Мережевий рівень забезпечує з'єднання та вибір маршруту між двома кінцевими системами, підключеними до різних "підмереж", які можуть знаходитися в різних географічних пунктах. Мережевий рівень відповідає за вибір оптимального маршруту між станціями, які можуть бути розділені безліччю з'єднаних між собою підмереж.

4) Транспортний - найвищий із рівнів, які відповідають за транспортування даних. На цьому рівні забезпечується надійне транспортування даних через об'єднану мережу. Транспортний рівень забезпечує механізми для встановлення, підтримки та впорядкованого завершення дії віртуальних каналів, систем виявлення та усунення несправностей транспортування та управління інформаційним потоком.

5) Сеансовий рівень встановлює, керує та завершує сеанси взаємодії між прикладними завданнями. Сеанси складаються з діалогу між двома чи більше об'єктами уявлення. Сеансовий рівень синхронізує діалог між об'єктами представницького рівня та керує обміном інформації між ними. Крім управління сеансами, цей рівень надає засоби для надсилання інформації, класу послуг та повідомлення у виняткових ситуаціях про проблеми сеансового та більш високих рівнів.

6) Рівень уявлення відповідає за те, щоб інформація, що надсилається з прикладного рівня однієї системи, була читаною для прикладного рівня іншої системи. При необхідності представницький рівень транслює між безліччю форматів подання інформації шляхом використання загального формату подання інформації. При необхідності трансформації піддаються як фактичні дані, а й структури даних, використовувані програмами. Типовим прикладом є перетворення закінчень рядків UNIX (CR) на MS-DOS формат (CRLF).

7) Прикладний рівень відповідає за виконання завдань користувача. Він ідентифікує та встановлює наявність передбачуваних партнерів для зв'язку, синхронізує спільно працюючі прикладні програми, встановлює угоду щодо процедур усунення помилок та управління цілісністю інформації, а також визначає, чи достатньо ресурсів для передбачуваного зв'язку.

Дитячі хвороби Ethernet та боротьба з ними

Ethernet використовує "випадковий" метод доступу до мережі (CSMA/CD - carrier-sense multiple access/collision detection) - множинний доступ з виявленням несучої. У ньому відсутня послідовність, відповідно до якої станції можуть отримувати доступ до середовища здійснення передачі. У цьому сенсі доступом до середовища здійснюється випадковим чином. Перевага методу: алгоритми випадкового доступу реалізуються значно простіше проти алгоритмами детермінованого доступу. Отже, апаратні засоби можуть бути дешевшими. Тому Ethernet найпоширеніший проти іншими технологіями для локальних мереж. При завантаженні мережі вже на рівні 30% стають відчутними затримки під час роботи станцій із мережними ресурсами, а подальше збільшення навантаження викликає повідомлення про недоступність мережевих ресурсів. Причиною цього є колізії, що виникають між станціями, що розпочали передачу одночасно або майже одночасно. При виникненні колізії, дані, що передаються, не доходять до одержувачів, а передавальним станціям доводиться відновлювати передачу. У класичному Ethernet всі станції мережі утворювали домен колізій (collision domain). При цьому одночасна передача будь-якої пари станцій призводила до колізії.

Сегментація мережі
Основний спосіб боротьби з навантаженням сегментів за часів переважання мереж стандарту 10Base2. Весь сегмент розбивався на частини. При цьому питання передачі між сегментами при необхідності вирішувалося за допомогою маршрутизації. Апаратні засоби особливої ​​популярності не користувалися. Зазвичай сервер з кількома адаптерами мережі встановлювався приблизно в центрі мережі і на ньому налаштовувався програмний маршрутизатор. Таким чином, крім ізоляції колізій в окремих сегментах можна було збільшити загальний розмір мережі до 185 + 185 = 370 м.

Комутація пакетів
Використовуючи топологію "зірка", стандарт 10Base-T фізично реалізує "згорнуту" або "колапсовану" загальну шину, тому проблема колізій актуальна і для нього. Вперше технологія комутації сегментів Ethernet була запропонована фірмою Kalpana у 1990 році. Комутують концентратори, або просто комутатори (switch), дозволили кожній станції використовувати середовище передачі без конкуренції з іншими за рахунок буферизації вхідних даних та передачі їх станції-одержувачу тільки тоді, коли його порт відкритий. Комутація фактично перетворює Ethernet із широкомовної системи з конкурентною боротьбою за смугу пропускання до системи адресної передачі. У цьому пари портів відправник-адресат динамічно утворюють незалежні віртуальні канали. Це збільшує пропускну здатність мережі проти застосуванням концентраторів. Досить популярними є рішення, коли сервери підключаються до більш швидкісних портів комутатора, станції - менш швидкісних. У цьому випадку в ідеалі кожна станція має доступ до сервера максимальною швидкістю, що підтримується адаптером.

Оскільки обмеження діаметра мережі в класичній технології Ethernet пов'язані з необхідністю своєчасного виявлення колізій, застосування комутаторів дозволяє подолати ці обмеження, розбиваючи мережу кілька доменів колізій.

Передача пакетів від порту-джерела в порт-одержувач у комутаторі відбувається або "на льоту" (cut-though) або з повною буферизацією пакетів (store-and-forward). При використанні передачі "на льоту" передача порту-одержувачу починається ще до закінчення прийому пакета з порту-джерела, використовуючи адресу одержувача із заголовка пакета. Такий спосіб скорочує затримки передачі при невеликому завантаженні мережі, однак йому притаманні й недоліки - у цьому випадку неможлива попередня обробка пакетів, що дозволяє відкидати погані пакети без передачі їх отримувачу. При збільшенні завантаження мережі затримка при передачі "на льоту" практично дорівнює затримці при передачі з буферизацією, це пояснюється тим, що в цьому випадку вихідний порт часто буває зайнятий прийомом іншого пакета, тому пакет, що знову надійшов, для даного порту все одно доводиться буферизувати.

У багатьох комутаторах застосовується адаптивна технологія: режими буферизації та передачі "на льоту" застосовуються залежно від величини навантаження мережі.

Технологія комутації дозволяє будувати мережі з великою кількістю станцій, причому частка широкомовного (broadcast) трафіку досягає істотних значень. За необхідності обмежити доступ станцій до мережевих ресурсів застосовується технологія віртуальних локальних мереж (VLAN). Віртуальну локальну мережу (ВЛЗ) утворює група вузлів мережі, трафік якої, у тому числі і широкомовний, на канальному рівні повністю ізольований від вузлів, що входять до інших ВЛЗ. Передача кадрів між різними ВЛЗ на підставі адреси канального рівня неможлива, незалежно від типу адреси - унікальної, групової або широкомовної.

Довгий час стандарт на ВЛЗ був відсутній, водночас існувало безліч несумісних один з одним фірмових реалізацій. Наразі прийнято стандарт на ВЛС IEEE 802.1Q.

Для побудови ВЛС до прийняття стандарту IEEE 802.1Q зазвичай застосовувалося угруповання портів, або угруповання MAC-адрес. Рішення на основі групування портів простіше у застосуванні, але у разі з'єднання кількох комутаторів кожна ВЛЗ вимагає окремого з'єднання між ними, що призводить до марнотратного використання портів та кабелів. Угруповання на основі MAC адрес раціональніше використовує порти та з'єднання, але трудомістка при експлуатації. Як перевагу цих способів можна відзначити використання стандартних кадрів Ethernet. Стандарт IEEE 802.1Q передбачає зміну структури кадру Ethernet з введенням у нього додаткових полів, які містяться відомості про належність вузла до певної ВЛС. Крім того, додаються поля, де зберігається інформація про пріоритет кадру, яка використовується у стандарті IEEE 802.1p.

Для передачі між різними ВЛС необхідно залучення мережного рівня. Відповідні засоби можуть бути або окремим маршрутизатором, або входити до складу апаратно-програмного забезпечення комутатора. Комутатори, що мають засоби для роботи на рівні мережевих протоколів, називаються "маршрутизуючими комутаторами", "комутаторами третього рівня". Для управління потоками інформації у яких застосовується або послідовна, або потокова маршрутизація пакетів. У першому випадку реалізуються класичні функції маршрутизатора, кожен пакет обробляється окремо. У другому випадку використовується нестандартний метод, який застосовується для скорочення кількості операцій для визначення маршруту пакетів. Перший пакет обробляється третьому рівні і визначає порт призначення інших пакетів для того ж адресата. Подальше пересилання пакетів відбувається на другому рівні, що прискорює процес передачі порівняно з класичною маршрутизацією. Для спрощення реалізації в комутаторах третього рівня застосовується маршрутизація лише протоколів IP та IPX як найбільш поширених у локальних мережах.

Пріоритезація трафіку

Ще одна властивість Ethernet, що розглядається як недолік при необхідності передачі через мережу інформації, чутливої ​​до затримок, такий як голос і відео. Протоколи канального рівня Ethernet не підтримують поле пріоритету кадру, тому для вирішення цієї проблеми виробники мережного обладнання почали вбудовувати в комутатор додаткові технологічні рішення. Наприклад, технологія фірми 3Com PACE (Priority Access Control Enabled – управління пріоритетами доступу), що дозволяє в одному каналі виділити два логічні підканали – з високим та низьким пріоритетами. І тут пріоритети приписуються портам комутатора і кадр міститься у чергу кадрів відповідного пріоритету залежно від цього, який порт він поступив. PACE використовує стандартний формат кадрів для використання в одній мережі обладнання як за допомогою PACE, так і без неї.

Положення змінилося із прийняттям стандарту IEEE 802.1p: з'явилася можливість визначення восьми рівнів пріоритету кадру на основі використання нових полів, визначених у стандарті IEEE 802.1Q. Отже, управління пріоритетами організується гнучкіше, без прив'язки до певних портів.

Крім пріоритезації трафіку, чутливого до затримок часу, існує необхідність підвищення пріоритету портів комутатора по відношенню до портів кінцевих станцій для запобігання втраті пакетів. Для цього виробники використовують нестандартні параметри доступу до середовища портів комутатора. "Агресивна поведінка" порту при захопленні середовища проявляється після закінчення передачі чергового пакета або виявлення колізії. У першому випадку після закінчення передачі комутатор витримує паузу менше, ніж покладено за стандартом і починає передачу нового пакета. Станція, витримавши паузу, при спробі передачі виявляє, що середовище вже зайняте. У другому випадку після виявлення колізії порт комутатора також робить меншу паузу стандартної, захоплює середовище і станції також не вдається почати передачу. Комутатор адаптивно змінює ступінь агресивності за необхідності.

Ще один прийом, який застосовується в комутаторах, заснований на передачі станції фіктивних пакетів станції в той час, коли в буфері комутатора немає пакетів передачі на порт станції. При цьому середовище передачі рівноймовірно захоплюється поперемінно портом комутатора і станцією, і інтенсивність передачі пакетів комутатор знижується в середньому вдвічі. Такий метод називається методом зворотного тиску (backpressure). Він комбінується з методом агресивного захоплення середовища для придушення активності кінцевих станцій.

Найбільшого поширення серед стандартних мереж набула мережа Ethernet. Вперше вона з'явилася в 1972 (розробником виступила відома фірма Xerox). Мережа виявилася досить вдалою, і внаслідок цього її в 1980 підтримали такі найбільші компанії, як DEC і Intel (об'єднання цих компаній назвали DIX за першими літерами їх назв). Їх стараннями в 1985 році мережа Ethernet стала міжнародним стандартом, її прийняли найбільші міжнародні організації за стандартами: комітет 802 IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) та ECMA (European Computer Manufacturers Association).

Стандарт отримав назву IEEE 802.3 (англійською читається як "eight oh two dot three"). Він визначає множинний доступ до моноканала типу шина з виявленням конфліктів і контролем передачі, тобто з методом доступу CSMA/CD, що вже згадувався. Цьому стандарту задовольняли деякі інші мережі, оскільки рівень його деталізації невисокий. В результаті мережі стандарту IEEE 802.3 нерідко були несумісні між собою як за конструктивними, так і електричними характеристиками. Однак останнім часом стандарт IEEE 802.3 вважається стандартом мережі Ethernet.

Основні характеристики початкового стандарту IEEE 802.3:

топологія – шина;

середовище передачі – коаксіальний кабель;

швидкість передачі – 10 Мбіт/с;

максимальна довжина мережі – 5 км;

максимальна кількість абонентів – до 1024;

довжина сегмента мережі – до 500 м;

кількість абонентів на одному сегменті – до 100;

метод доступу – CSMA/CD;

передача вузькосмугова, тобто без модуляції (моноканал).

Строго кажучи, між стандартами IEEE 802.3 та Ethernet існують незначні відмінності, але про них зазвичай вважають за краще не згадувати.

Мережа Ethernet сьогодні найбільш популярна у світі (більше 90% ринку), ймовірно, такою вона і залишиться в найближчі роки. Цьому значною мірою сприяло те, що з самого початку характеристики, параметри, протоколи мережі були відкриті, внаслідок чого величезна кількість виробників в усьому світі стали випускати апаратуру Ethernet, яка повністю сумісна між собою.

У класичній мережі Ethernet застосовувався 50-омний коаксіальний кабель двох видів (товстий і тонкий). Однак останнім часом (з початку 90-х років) найбільшого поширення набула версія Ethernet, яка використовує як середовище передачі кручені пари. Визначено також стандарт для застосування в мережі оптоволоконного кабелю. Для врахування цих змін до початкового стандарту IEEE 802.3 було зроблено відповідні додавання. У 1995 році з'явився додатковий стандарт на більш швидку версію Ethernet, що працює на швидкості 100 Мбіт/с (так званий Fast Ethernet, стандарт IEEE 802.3u), що використовує як середовище передачі кручену або оптоволоконний кабель. У 1997 році з'явилася версія на швидкість 1000 Мбіт/с (Gigabit Ethernet, стандарт IEEE 802.3z).

Крім стандартної топології шина дедалі ширше застосовуються топології типу пасивна зірка та пасивне дерево. При цьому передбачається використання репітерів та репітерних концентраторів, що сполучають між собою різні частини (сегменти) мережі. Внаслідок цього може сформуватися деревоподібна структура на сегментах різних типів (рис. 7.1).

Рис. 7.1.Класична топологія мережі Ethernet

Як сегмент (частини мережі) може виступати класична шина або одиничний абонент. Для шинних сегментів використовується коаксіальний кабель, а для променів пасивної зірки (для приєднання до концентратора одиночних комп'ютерів) – кручена пара та оптоволоконний кабель. Головна вимога до отриманої внаслідок топології – щоб у ній був замкнутих шляхів (петель). Фактично виходить, що всі абоненти з'єднані у фізичну шину, так як сигнал від кожного з них поширюється відразу на всі боки і не повертається назад (як у кільці).

Максимальна довжина кабелю мережі в цілому (максимальна дорога сигналу) теоретично може досягати 6,5 кілометрів, але практично не перевищує 3,5 кілометрів.

У мережі Fast Ethernet не передбачена фізична топологія шини, використовується тільки пасивна зірка або пасивне дерево. До того ж у Fast Ethernet набагато жорсткіші вимоги до граничної довжини мережі. Адже при збільшенні в 10 разів швидкості передачі та збереженні формату пакета його мінімальна довжина стає у десять разів коротшою. Таким чином у 10 разів зменшується допустима величина подвійного часу проходження сигналу по мережі (5,12 мкс проти 51,2 мкс Ethernet).

Для передачі в мережі Ethernet застосовується стандартний манчестерський код.

Доступ до мережі Ethernet здійснюється за випадковим методом CSMA/CD, що забезпечує рівноправність абонентів. У мережі використовують пакети змінної довжини зі структурою, представленої на рис. 7.2. (цифри показують кількість байт)

Рис. 7.2.Структура пакету мережі Ethernet

Довжина кадру Ethernet (тобто пакета без преамбули) має бути не менше 512 бітових інтервалів або 51,2 мкс (саме така гранична величина подвійного часу проходження в мережі). Передбачено індивідуальну, групову та широкомовну адресацію.

У пакет Ethernet входять такі поля:

Преамбула складається з 8 байт, перші сім є код 10101010, а останній байт - код 10101011. У стандарті IEEE 802.3 восьмий байт називається ознакою початку кадру (SFD - Start of Frame Delimiter) і утворює окреме поле пакета.

Адреси одержувача (приймача) та відправника (передавача) включають по 6 байт і будуються за стандартом, описаним у розділі "Адресація пакетів" лекції 4. Ці адресні поля обробляються апаратурою абонентів.

Поле управління (L/T – Length/Type) містить інформацію про довжину поля даних. Воно може також визначати тип протоколу, що використовується. Прийнято вважати, що якщо значення цього поля не більше 1500, воно вказує на довжину поля даних. Якщо його значення більше 1500, воно визначає тип кадру. Поле керування обробляється програмно.

Поле даних має включати від 46 до 1500 байт даних. Якщо пакет повинен містити менше 46 байт даних, поле даних доповнюється байтами заповнення. Відповідно до стандарту IEEE 802.3, у структурі пакета виділяється спеціальне поле заповнення (pad data – незначні дані), яке може мати нульову довжину, коли даних достатньо (більше 46 байт).

Поле контрольної суми(FCS - Frame Check Sequence) містить 32-розрядну циклічну контрольну суму пакета (CRC) і служить для перевірки правильності передачі пакета.

Таким чином, мінімальна довжина кадру (пакета без преамбули) становить 64 байти (512 біт). Саме ця величина визначає максимально допустиму подвійну затримку розповсюдження сигналу по мережі 512 бітових інтервалів (51,2 мкс для Ethernet або 5,12 мкс для Fast Ethernet). Стандарт передбачає, що преамбула може зменшуватися при проходженні пакета через різні мережні пристрої, тому вона не враховується. Максимальна довжина кадру дорівнює 1518 байт (12144 біта, тобто 1214,4 мкс для Ethernet, 121,44 мкс для Fast Ethernet). Це важливо для вибору розміру буферної пам'яті мережного обладнання та оцінки загальної завантаженості мережі.

Вибір формату преамбули не випадковий. Справа в тому, що послідовність одиниць і нулів (101010...10), що чергуються, в манчестерському коді характеризується тим, що має переходи тільки в середині бітових інтервалів (див. розділ 2.6.3), тобто тільки інформаційні переходи. Безумовно, приймачеві просто налаштуватися (синхронізуватися) за такої послідовності, навіть якщо вона з якоїсь причини коротшає на кілька біт. Останні два одиничні біти преамбули (11) суттєво відрізняються від послідовності 101010...10 (з'являються переходи ще й межі бітових інтервалів). Тому вже налаштований приймач легко може виділити їх і детектувати цим початок корисної інформації (початок кадру).

Для мережі Ethernet, що працює на швидкості 10 Мбіт/с, стандарт визначає чотири основні типи сегментів мережі, орієнтованих на різні середовища передачі інформації:

10BASE5 (товстий коаксіальний кабель);

10BASE2 (тонкий коаксіальний кабель);

10BASE-T (кручена пара);

10BASE-FL (оптоволоконний кабель).

Найменування сегмента включає три елементи: цифра "10" означає швидкість передачі 10 Мбіт/с, слово BASE – передачу в основній смузі частот (тобто без модуляції високочастотного сигналу), а останній елемент – допустиму довжину сегмента: "5" – 500 метрів, "2" - 200 метрів (точніше, 185 метрів) або тип лінії зв'язку: "Т" - кручена пара (від англійського "twisted-pair"), "F" - оптоволоконний кабель (від англійського "fiber optic").

Так само для мережі Ethernet, що працює на швидкості 100 Мбіт/с (Fast Ethernet) стандарт визначає три типи сегментів, що відрізняються типами середовища передачі:

100BASE-T4 (четверкована кручена пара);

100BASE-TX (здвоєна кручена пара);

100BASE-FX (оптоволоконний кабель).

Тут цифра "100" означає швидкість передачі 100 Мбіт/с, буква "Т" - кручена пара, буква "F" - оптоволоконний кабель. Типи 100BASE-TX та 100BASE-FX іноді об'єднують під ім'ям 100BASE-X, а 100BASE-T4 та 100BASE-TX – під ім'ям 100BASE-T.

Докладніше особливості апаратури Ethernet, а також алгоритм управління обміном CSMA/CD та алгоритм обчислення циклічної контрольної суми (CRC) будуть розглянуті далі в спеціальних розділах курсу. Тут слід зазначити тільки те, що мережа Ethernet не відрізняється ні рекордними характеристиками, ні оптимальними алгоритмами, вона поступається рядом параметрів іншим стандартним мережам. Але завдяки потужній підтримці, найвищому рівню стандартизації, величезним обсягам випуску технічних засобів, Ethernet вигідно виділяється серед інших стандартних мереж, і тому будь-яку іншу мережну технологію прийнято порівнювати саме з Ethernet.

Розвиток технології Ethernet йде шляхом все більшого відходу від початкового стандарту. Застосування нових середовищ передачі та комутаторів дозволяє суттєво збільшити розмір мережі. Відмова від манчестерського коду (у мережі Fast Ethernet та Gigabit Ethernet) забезпечує збільшення швидкості передачі даних та зниження вимог до кабелю. Відмова від методу управління CSMA/CD (при повнодуплексному режимі обміну) дає можливість різко підвищити ефективність роботи та зняти обмеження з довжини мережі. Проте, всі нові різновиди мережі також називаються мережею Ethernet.

мережу малоперспективної на вирішення технологічних завдань реального часу. Певні проблеми іноді створює обмеження на максимальне поле даних, що дорівнює ~1500 байт.

Вибір довжини поля даних диктувався рівнем помилок (BER) для технологій, які були на момент розробки стандарту Ethernet.

Спочатку як середовище передачі використовувався товстий коаксіальний кабель (Z = 50 Ом ), а підключення до нього виконувалося через спеціальні пристрої (трансівери). Згодом мережі почали будуватися на основі тонкого коаксіального кабелю. Але й таке рішення було досить дорогим. Розробка дешевих широкосмугових скручених пар та відповідних роз'ємів відкрила перед Ethernet широкі перспективи. Ті, кому доводилося працювати з коаксіальними кабелями Ethernet, знають, що при під'єднанні або від'єднанні роз'єму можна отримати болючі удари струму. Для скручених пар це виключено. Але і ця технологія не вічна: скручені пари поступово поступаються своїми позиціями оптоволоконним кабелям.

Для різної швидкодії Ethernet використовуються різні схеми кодування, але алгоритм доступу та формат кадру залишається незмінним, що гарантує програмну сумісність.

Однак наявність сотень мільйонів інтерфейсів Ethernet є серйозною перешкодою заміни стандарту на більш досконалу.

16.1. Архітектура мереж Ethernet

Багато сучасних фізичних мережевих середовищах використовують послідовний формат передачі інформації. До цього різновиду відноситься і Ethernet. Фірма "Ксерокс" здійснила розробку протоколу Ethernet в 1973 році, а в 1979 об'єднання компаній Xerox, Intel і DEC (DIX) надало документ для стандартизації протоколу в IEEE. Пропозиція з невеликими змінами була прийнята комітетом 802.3 у 1983 році. Кадр Ethernet у сучасному стандарті має формат, показаний на рис. 16.1.

Рис. 16.1.

Поле преамбуламістить 7 байт 0хАА і служить для стабілізації та синхронізації середовища (що чергуються сигнали CD1 і CD0 при завершальному CD0), далі слідує поле SFD(Start Frame Delimiter = 0xAB), призначене виявлення початку кадру. Поле EFD(End Frame Delimiter) задає кінець кадру. Поле контрольної суми ( CRC- Cyclic Redundancy Check), так само як і преамбула, SFD та EFD, формуються та контролюються на апаратному рівні. У деяких модифікаціях протоколу поле EFD не застосовується. Користувачеві доступні поля, починаючи з адреси отримувачаі закінчуючи полем інформаціявключно. Після CRC та EFD слід міжпакетна пауза ( IPG- InterPacket Gap - міжпакетний інтервал) довжиною 96 біт-тактів (9,6 мкс для 10-мегабітного Ethernet) або більше. Максимальний розмір кадру дорівнює 1518 байт (сюди не включені поля преамбули, SFD та EFD). Інтерфейс переглядає всі пакети, що йдуть по кабельному сегменту, до якого він підключений: адже визначити, чи коректний прийнятий пакет і кому він адресований, можна лише прийнявши його повністю. Коректність пакета по CRC , по довжині і кратності цілої кількості байт визначається після перевірки адреси призначення. Ймовірність помилки передачі за наявності CRC-контролю становить ~2 -32. При обчисленні CRC використовується утворює поліном R(x) :

R(x) = x 32 + x 26 + x 23 + x 22 + x 16 + x 12 + x 11 + x 10 + x 8 + x 7 + x 5 + x 4 + x 2 + x + 1.

Алгоритм обчислення CRC зводиться до обчислення залишку від розподілу коду M(x) , що характеризує кадр , утворює поліном R(x) ( Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection Access Method and Physical Layer Specification. Published by IEEE 802.3-1985. Wiley-Interscience, John & Sons, Inc.). CRC є доповненням отриманого залишку R(x) . CRC обчислюється мережевим інтерфейсом та пересилається, починаючи зі старших розрядів.

Для пересилання даних у мережі (швидкістю<1 Гбит/с) используется манчестерський код, який служить як передачі даних, так синхронізації. Кожен біт символ ділиться на дві частини, причому друга частина завжди є інверсною по відношенню до першої. У першій половині кодований сигнал представлений у логічно додатковому вигляді, а у другій – у звичайному. Таким чином, сигнал логічного 0 - CD0 характеризується в першій половині рівнем HI (+0,85), а в другій - LO (-0,85). Відповідно сигнал CD1 характеризується у першій половині біт-символу рівнем LO, а у другій – HI. Приклади форм сигналів під час манчестерського кодування представлені на рис. 16.2. Верхній рівень сигналу відповідає +0,85, нижній - -0,85.

Рис. 16.2.

Мінімальна тривалість пакета в Ethernet визначається тим, що відправник повинен дізнатися про зіткнення пакетів, якщо воно відбулося раніше, ніж закінчить передачу кадру. При цьому тривалість пакета, що передається, повинна бути більше подвоєного максимального часу поширення кадру до самої віддаленої точки мережевого сегмента.

Тут мається на увазі сегмент, утворений кабелями та повторювачами. Мінімальна тривалість кадру, що дорівнює 64 байтам, була визначена для конфігурацій 10 Мбіт/c мережі з чотирма повторювачами та 500-метровими кабельними сегментами. Найбільший внесок у затримку роблять повторювачі (якщо вони використовуються).

Якщо розмір пакета менше 64 байт, додаються байти-заповнювачі, щоб кадр у будь-якому випадку мав відповідний розмір. При прийомі контролюється довжина пакета, і якщо вона перевищує 1518 байт, пакет вважається надлишковим і не оброблятиметься. Аналогічна доля чекає на кадри коротші 64 байт. Будь-який пакет повинен мати довжину, кратну 8 біт (ціле число байт). Якщо в полі адресата містяться всі одиниці, адреса вважається широкомовною, тобто зверненою до всіх робочих станцій локального сегмента мережі.

При підключенні ЕОМ до мережі безпосередньо за допомогою перемикача обмеження мінімальної довжини кадру теоретично знімається. Але робота з більш короткими кадрами в цьому випадку стане можливою лише при заміні мережного інтерфейсу на нестандартний (причому як відправник, так і одержувач)!

Пакет Ethernet може нести від 46 до 1500 байт даних. Формат MAC-адреси одержувача або відправника показано на рис. 16.3.

Рис. 16.3.

У верхній частині малюнка вказано довжину полів адреси, у нижній – нумерацію розрядів. Субполі I/Gє прапором індивідуальної або групової адреси. I/G=0 – вказує на те, що адреса є індивідуальною адресою об'єкта мережі. I/G=1 характеризує адресу як мультикастинговий, у разі подальше розбиття адреси на субполя втрачає сенс. Мультикастингові адреси дозволяють звертатися одразу до кількох станцій у межах субмережі. Субполі U/Lє прапором універсального чи місцевого управління (визначає механізм присвоєння адреси мережному інтерфейсу). U/L=1 вказує на локальну адресацію (адреса задана не виробником і відповідальність за унікальність лежить на адміністраторі LAN або на користувачеві). U/L=I/G=0 притаманно стандартних унікальних адрес, що присвоюються інтерфейсу його виробником. Субполі OUI(Organizationally Unique Identifier) ​​дозволяє визначити виробника мережного інтерфейсу. Кожному виробнику присвоюється один або кілька OUI. Розмір субполя дозволяє ідентифікувати близько 4 мільйонів різних виробників. За коректність присвоєння унікальної адреси інтерфейсу ( OUA– Organizationally Unique Address) несе відповідальність виробник. Двох інтерфейсів того самого виробника з ідентичними номерами не повинно існувати. Розмір поля дозволяє зробити приблизно 16 мільйонів інтерфейсів. Комбінація OUI та OUA становлять UAA(Universally Administrated Address = IEEE - адреса).

Якщо у полі кадру протокол/типзаписаний код менше 1500, це поле характеризує довжину кадру. Інакше це код протоколу, пакет якого інкапсульований у поле даних кадру.

Доступ до каналу Ethernet базується на алгоритмі CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection). У Ethernet будь-яка станція, підключена до мережі, може спробувати розпочати передачу пакета (кадра), якщо кабельний сегмент, якого вона підключена, вільний. Чи вільний сегмент, інтерфейс визначає за відсутністю "несучої" протягом 96 біт-тактів. Так як перший біт пакету досягає інших станцій мережі не одночасно, може статися, що спробу передачі зроблять дві або більше станцій, тим більше, що затримки в повторювачах і кабелях можуть досягати більших величин. Такі збіги спроб називаються зіткненнями. Зіткнення (колізія) розпізнається за наявності в каналі сигналу, рівень якого відповідає роботі двох або більше трансіверів одночасно. При виявленні зіткнення станція перериває передачу. Відновлення спроби може бути зроблено після витримки (кратної 51,2 мксек, але не перевищує 52 мс), значення якої є псевдовипадковою величиною та обчислюється кожною станцією незалежно (T= RAND(0,2 min(N,10) ), де N – вміст лічильника спроб, а число 10 - backoffLimit).

Зазвичай після зіткнення час розбивається на ряд дискретних доменів з довжиною, що дорівнює подвоєному часу розповсюдження пакета в сегменті (RTT). Для максимально можливого RTT цей час дорівнює 512 біт-тактам. Після першого зіткнення кожна станція чекає 0 або 2 тимчасового домену, перш ніж зробити ще одну спробу. Після другого зіткнення кожна станція може почекати 0, 1, 2 або 3 тимчасового домену і т.д. Після n-го зіткнення випадкове число лежить у межах 0 – (2 n – 1). Після 10 зіткнень максимальне значення випадкової витримки перестає зростати і залишається на рівні 1023.

Тепер розглянемо поведінку мережі за наявності станцій, готових до передачі. Якщо деяка станція здійснює передачу під час домену доступу з ймовірністю p , ймовірність того, що станція захопить канал, дорівнює:

Досягає максимуму за . при . Середня кількість доменів на один доступ дорівнює 1/А. Оскільки кожен домен має довжину RTT, то середня тривалість часу доступу становитиме RTT/A. Якщо середній час передачі кадру становить P секунд, то при великій кількості станцій, готових до передачі, ефективність каналускладе P/(P+RTT/A).

Таким чином, чим довший кабельний сегмент, тим більший середній час доступу.

Після витримки під час зіткнення станція збільшує на одиницю лічильник спроб і починає чергову передачу. Гранична кількість спроб за замовчуванням дорівнює 16; якщо кількість спроб вичерпано, зв'язок переривається та видається відповідне повідомлення (про недоступність). При цьому кадр, що передається, буде безповоротно втрачений.

Довгий кадр сприяє "синхронізації" початку передачі пакетів кількома станціями. Адже за час передачі з помітною ймовірністю може виникнути необхідність передачі двох і більше станцій. У момент, коли вони виявлять завершення пакета, будуть включені IPG таймери . На щастя, інформація про завершення передачі пакета сягає станцій сегмента не одночасно. Але затримки, з якими це пов'язано, також є причиною того, що факт початку передачі нового пакета однієї зі станцій не стає відомим негайно. При залученні до зіткнення кількох станцій можуть повідомити інші станції звідси, пославши сигнал " затора " ( JAM - щонайменше 32 біт ). Вміст цих 32 біт не регламентується. Така схема робить менш ймовірним повторне зіткнення. Джерелом великої кількості зіткнень (крім інформаційного навантаження) може бути гранична сумарна довжина логічного кабельного сегмента, занадто велика кількість повторювачів, обрив кабелю або несправність одного з інтерфейсів. Але самі

З появою Ethernet його почали використовувати як основне мережне підключення. Давайте детальніше розглянемо застосування Ethernet у промисловості.

Що таке Ethernet?

Локальна мережа Ethernet (local-area network (LAN)) є основною зв'язку між нашими комп'ютерами, маршрутизаторами, принтерами. Він зіграв важливу роль у промисловому світі ставши встановленим стандартом підключення інтернет речей IoT.

За даними Cisco, у 2003 році Ethernet становив близько 85% всіх з'єднань по локальній мережі у світі. Промисловий Ethernet відрізняється від комерційного тим, що він застосовує стандарти Ethernet для керування та експлуатації виробничими мережами.

Поява Ethernet

ALOHAnet була першою бездротовою мережею передачі даних, до якої підключалися кілька комп'ютерних систем, розділених у межах Гавайського університету. Вчені намагалися отримати незалежні вузли передачі даних радіоканалу для зв'язку один з одним на основі технології peer-to-peer без перешкод. Рішенням ALOHAnet був множинний доступ із виявленням колізій (CSMA/CD). Ця ідея надихнула Боба Меткалфа з Xerox для подальших досліджень у цій галузі.

У перші дні існування Ethernet існувало дві найпоширеніші конфігурації: 10Base2 та 10Base5. Швидкість передачі для обох конфігурацій становила 10 Мбіт при використанні коаксіального кабелю.

Максимально допустима довжина відрізків для 10Base2 становила 185 футів при використанні коаксіального кабелю RG58, відомого також як Thin Ethernet. 10Base 5 пропонував довші відстані зв'язку. Тим не менш, для забезпечення з'єднання був потрібний товстий коаксіальний кабель, який був важким і важким в управлінні.

З огляду на це безперервно розвивалися нові технології, такі як 10Base-FL, що дозволило мережам використовувати волоконно-оптичні носії та збільшити відстань передачі даних до 2000 футів. 10Base-T став популярним варіантом через простоту встановлення та використання недорогої неекранованої крученої пари (unshielded twisted pair UTP) кабелю категорії CAT3. Відстань між комп'ютерами не повинна перевищувати 100 метрів, і кожна машина повинна мати стандартний роз'єм RJ-45. До 90-х років стало доступне обладнання Ethernet із швидкістю передачі до 100 Мбіт.

Сьогоднішній комп'ютерний стандарт має на увазі, що пристрій повинен мати мережевий адаптер, що реалізує 100Base-TX. Кабелі категорії 5e UTP (CAT5) також є стандартними і використовуються такою самою довжиною, що й для 10base-T мереж з довжиною до 100 футів або менше. Мережі, які раніше використовували коаксіальні кабелі, зараз модернізуються під оптоволокно спеціально для реалізації зв'язків "точка до точки" (point-to-point). 100Base-FX використовує два оптичних волокна для дуплексних точка-точка зв'язків, які досягають 2000 футів. Gigabit Ethernet або 1000 Мбіт з'єднання доступні з використанням крученої пари та волоконно-оптичних носіїв.

Канальний рівень Ethernet

Ethernet визначає шари фізичного рівня та канали передачі даних залежно від призначення мережі. Основним мережевим стандартом став IEEE 802.3. фізичний рівень визначає електричні сигнали, метод передачі даних, медіа, типи роз'ємів та топологію мережі. Для передачі даних може бути використане оптичне волокно або кручена пара. Існує чотири різні типи передачі даних з різними швидкостями:

Канальний рівень визначає спосіб доступу до середовища. Напівдуплексний зв'язок пов'язаний у шинній або зіркоподібній топологіях: 10/100Base-T, 10Base2, 10Base 5 та інших. Вони використовують множинний доступ із прослуховуванням несучої та виявленням колізій (CSMA/CD). Це дозволяє кільком вузлам (комп'ютерам) мати рівний доступ до мережі. Усі вузли в мережі Ethernet постійно стежать над передачею інформації.

Вузли чекають на відповідь мережі до початку передачі даних. Коли вони починають передачу даних в той самий час сигнали перекривають один одного, що може призвести до пошкодження оригіналів. Коли вузол виявляє, що інший пристрій намагається відправити дані, він визначає колізію і припиняє передачу даних. Спроба відновити передачу здійснюється через певний проміжок часу. Такий метод передачі дозволяє просто додавати або видаляти вузли з мережі.

Після підключення вузол починає отримувати та передавати інформацію по мережі. Проте, зрештою це може призвести до зменшення пропускної спроможності та збільшення кількості колізій. Це робить Ethernet імовірнісною мережею. У дуплексних мережах Ethernet зі зв'язком точка-точка, таких як 10Base-FL або 100Base-FX, колізії не є проблемою. Це пов'язано з тим, що присутні лише два вузли з можливістю роздільної передачі та прийому даних. Це дозволяє реалізувати одночасну передачу та прийом інформації, що збільшує швидкість передачі вдвічі.

Ethernet кадр визначає формат повідомлення даних, що передаються по мережі. Формат повідомлення містить кілька полів інформації, у тому числі даних, що підлягають передачі. Блок даних визначається як фактичні дані, які будуть надіслані, та може містити від 46 до 1500 байт двійкової інформації. Довжина блоку даних визначається і включається в повідомленні як поле приймача, щоб визначити, яка частина повідомлення являє собою дані.

MAC-адреса є шести байтовим двійковим номером набору, який включає інформацію джерела і призначення для вузлів. MAC-адреса включена в кожне повідомлення і передається через мережу, а кожен вузол мережі Ethernet має унікальну MAC-адресу.

Канальний рівень визначає структуру кадру повідомлень, що приймаються або передаються. Комутатори, вузли та концентратори можуть дуже просто додаватись або вилучатися з мережі, а ця технологія дозволяє легко діагностувати несправності. Ці фактори зробили Ethernet підключення до нового стандарту для мережевих промислових рішень. Функції шарів OSI позначають, як буде передаватися інформація.

У еталонній моделі OSI існує сім шарів. Нижні шари (1-4) зосереджуються передачі даних, тоді як 5-7 є прикладними. Нижній рівень (1) найбільш близький до фізичного середовища, тому його називають фізичним. Фізичний та нижній шари каналу передачі даних реалізовані в апаратному та програмному забезпеченні, наприклад, кабелях або Ethernet (шар 2).

Шар 3 використовується для логічної адресації та маршрутизації. Найбільш поширене застосування – використання Інтернет-протоколу (IP). Рівень 4 – транспортний шар, який гарантує, що дані передаються без помилок та у правильній послідовності. Він використовує протокол управління передачею (Transmission Control Protocol TCP) і протокол користувацьких дейтаграм (UDP) для передачі даних.Промисловий Ethernet відрізняється від комерційного тим, що він використовує всі нижні шари, а не тільки 2.

Верхні шари еталонної моделі OSI використовуються для прикладних завдань та, як правило, реалізується тільки для програмного забезпечення. Шар 5 для керування сеансом зв'язку. Він відповідає за контроль набору та синхронізації підключення сеансу (тобто створення та керування сесіями) між мережами та програмами.

Шар 6 призначений для використання представлення даних. Цей шар представляє дані та тип кодування, а також визначає символи, що використовуються. Це гарантує, що дані можуть передаватися по мережі та між вузлами, і що вони стискаються та кодуються. Шар 7 призначений для застосування. Він використовується програмним забезпеченням для підготовки та інтерпретації даних. Це верхній шар, найбільш близький до користувача.

Типи підключення Ethernet та промислових систем

Протокол TCP/IP, використовуючи Ethernet, дозволяє підвищення рівня стандартизації. Історично склалося, що мережеві програми, засновані на критичних часових процесах, використовують детерміністичні мережі. При використанні промислового Ethernet важливо пам'ятати про швидкість і стійкість зв'язку.

Детермінізм - це здатність мережі для спілкування у прогнозований період. Для систем управління рухом це має істотне значення, так як передача даних від пристрою і до пристрою повинна здійснюватися на регулярній основі. Ці мережі ґрунтуються на концепції ведучий/відомий (master/slave) або естафетної передачі даних.

Використання мереж Ethernet має контролюватись на рівні не більше 10% або вони матимуть недостатню продуктивність. Сегментування мережі за допомогою маршрутизаторів та комутаторів мінімізує небажаний мережевий трафік та знижує його споживання. Інший спосіб передбачає використання нових протоколів (вищих рівнів) поєднуючи встановлення пріоритетів та синхронізацію повідомлень для оптимізації часу доставки інформації.

Результатом цих методів став перехід до використання Ethernet для промислового управління лише на рівні цехів і ділянок. Ethernet все сильніше впроваджується у промислове середовище завдяки низькій вартості апаратних засобів та простоті установки. Використання мостів та високошвидкісних комутаторів підвищує детермінізм мережі. Через війну швидкості передачі у 1 Гбіт, 10 Гбіт, 100 Гбіт стають дедалі поширеними.

Основні типи підключення Ethernet

Modbus TCP/IP

Перший промисловий протокол на основі Ethernet, запроваджений у 1999 році. Реалізовано на підставі протоколу Modbus, який був розроблений Modicon у 1979 році.

Переваги:

• Використовуються стандартні шари Ethernet: обладнання та транспортний рівень TCP/IP;
• Відкритий та відносно простий протокол;

Недоліки:

• Чи не жорсткий протокол реального часу;

Найбільший постачальник: Schneider Electric.

Технологія автоматизації виробництва: RTPS

EtherCAT

З відкритим вихідним кодом, на основі IEC 61158 та інших аналогічних стандартів. Переваги:

• Жорсткий як реального часу промисловий протокол;
• Ефективна та проста комунікація;

Недоліки:

• Загальна кількість пристроїв обмежена;
• Не призначений для стандартних TCP/IP та EtherCAT пакетів;

Найбільший постачальник: Beckhoff.

Технологія автоматизації виробництва: Загальний кадр (Shared Frame)

Ethernet/IP

Розширює концепцію DeviceNET.

Переваги:

• використання транспортних шарів мереж Ethernet (тобто TCP і UDP);

Недоліки:

• Мережі можуть бути перевантажені UDP повідомленнями, якщо не правильно виконані налаштування;

Найбільший постачальник: Rockwell Automation.

Технологія автоматизації виробництва: CIP

Profinet

Прикладний протокол, що розширює Profibus.

Переваги:

• Підтримує як стандартний, і детермінований трафік Ethernet;
• Реалізує IEEE 1588 та Quality of Service (QoS) для додавання детермінізму;

Недоліки:

• У режимі реального часу та ізохронного реального часу керований комутаторами. Рекомендується QoS;

Найбільший постачальник: Siemens.

Технологія автоматизації виробництва: PROFINET IO

Windows 7