4.4 Технология мультиплексирования Ethernet

В настоящее время более 85% сетей LAN выполнены по технологии Ethernet [101].

На рисунке 4.28 нетрудно увидеть, что технология Ethernet прошла ряд эволюционных этапов и из простой шинной архитектуры (10 Мбит/с Ethernet) постепенно превратилась в технологию реализации сегментов с увеличением дальности связи через волоконную оптику и с увеличением скорости передачи данных (от 10 Мбит/с до 1 Гбит/с и более).

Применение коммутаторов позволило расширять сети и делать их сегментными. Коммутатор Ethernet – это многопортовый мост с точки зрения модели OSI. Коммутатор работает на втором канальном уровне модели OSI. Главное назначение коммутатора – обеспечение разгрузки сети посредством локализации трафика в пределах отдельных сегментов.

Архитектура коммутатора позволяет установить многоканальные связи Ethernet без блокирования между парами портов одновременно без номера передаваемых кадров. Это позволяет реализовать в сети Ethernet архитектуры «звезда» и «дерево», что, безусловно, расширяет возможности локальной сети. Однако при этом сохраняются отдаленные сегменты, внутри которых реализуются алгоритмы CSMA/CD. Эти сегменты получили название коллизионных доменов. Как правило, география коллизионного домена ограничена расстоянием 2 км при использовании повторителей для соединения удаленных станций.

Применение в сети Ethernet волоконной оптики позволило вначале создавать коллизионные домены типа пассивной оптической звезды (стандарт 10 Base-F) с удалением станций до 1 км и числом узлов в домене до 33. В последующем были разработаны стандарты 10 Base-FB и 10 Base-FL, которые определили физический канал, состоящий из 2-х волокон до 2 км между повторителями и синхронный/асинхронный режимы передачи. Оптические кабели с одномодовыми стекловолокнами позволяют строить протяженные магистрали и разветвленные сети, в том числе сети доступа на основе Ethernet.

Рисунок 4.28 Эволюция технологии Ethernet

Первоначально в 1985 году стандартом 802.3 были предусмотрены два типа передающей среды: тонкий коаксиальный кабель (диаметр 6 мм) – 10 Base-2 и толстый коаксиальный кабель (диаметр 13 мм) – 10 Base-5. Позднее появились спецификации на витую пару RI-45 (10 Base-Т) и на коаксиальный кабель для широкополосных сетей телевидения с сопротивлением 75 Ом (10 Broad 36).

Все варианты Ethernet были спроектированы с возможностью совмещения друг с другом. Подробные сведения о технологии Ethernet приведены в [60, 62].

Кроме того, существует проект стандарта Ethernet на скорость передачи 10 Гбит/с (10 G Ethernet).

На рисунке 4.29 представлен формат мультиплексируемого пакета данных сети Ethernet.

Рисунок 4.29 Формат пакета Ethernet

Preamble – преамбула 7 (8) байт, каждый из байтов представляет чередование единиц и нулей 10101010. Преамбула необходима для установления битовой синхронизации приемной стороны. Один байт (восьмой) 10101011 указывает на последующее информационное поле пакета.

DA, Destination Address – 6 байт, указывает адрес станции назначения пакета. Это может быть единственный физический адрес (unicast), групповой адрес (multicast) или широковещательный адрес (broadcast). Адрес указывает точку (точки) MAC.

SA, Source Address – адрес отправителя 6 байт, указывает MAC – адрес станции, которая посылает пакет.

Type T/L – поле типа (Т) или длины (L) пакета. Существует два типа пакета Ethernet, отличающихся этим полем. Первый тип Ethernet-II в этом поле содержит информацию о типе кадра для IP, для IPX/SPX и других сетевых протоколов [83]. Второй тип Ethernet IEEE 802.3 содержит в этом поле размер следующего поля данных (Data). При этом, если длина поля Data меньше 64 байт, то за полем Data добавляется выравнивание (Pad).

FCS, Frame Check Sequence – контрольная последовательность пакета – 4-х байтовое поле, в котором указывается контрольная сумма, вычисленная с использованием циклического избыточного кода по полям пакета, за исключением преамбулы и FCS.

Принцип работы сети Ethernet состоит в следующем. Перед передачей данных станция проверяет состояние среды передачи и, если среда занята, то она ждет окончания передачи, т.е. освобождения среды. Если среда свободна, то станция начинает передавать свои данные, одновременно контролируя состояние среды (не возникла ли коллизия). Если же за время передачи данных коллизия не обнаружена, то считается, что передача прошла успешно. При возникновении коллизии (две и более станции начинают передачу) станция прекращает передачу и выдает последовательность битов, которая позволяет всем станциям сети определить, что прошла коллизия. Все станции прекращают передачу на случайное время задержки для каждой. После окончания времени задержки станция, проверив среду, пытается еще раз передать данные. Если за 16 попыток станция не смогла передать пакет, то считается, что среда недоступна (повреждена).

Пример топологии сети Ethernet приведен на рисунке 4.30.

В соответствии с международными стандартами ISO 8802-3 от 1999 года предусматриваются следующие разновидности сетей Ethernet с методом CSMA/CD для различных физических сред.

1 Base-5 – использование витой пары на скорости передачи до 1 Мбит/с и расстояние между рабочей станцией и концентратором до 250 м.

PC – рабочая станция: Т – трансивер (приемо-передатчик), не более 100 в одном сегменте; Мосты и повторители служат для соединения сегментов сети
Рисунок 4.30 Пример топологии сети Ethernet

10 Base-2 –- использование тонкого коаксиального кабеля (диаметром около 5 мм) с сопротивлениями по 50 Ом. Длина сегмента до 200 м. Сегменты соединяются повторителями, но их общая длина не более 2,5 км. Максимальное число станций в сегменте до 30, минимальное расстояние между станциями 1 м. Скорость передачи 10 Мбит/с.

10 Base-5 – использование коаксиального кабеля большого диаметра (до 10 мм в диаметре) с сопротивлениями по 50 Ом. Длина сегмента до 500 м. Сегменты соединяются повторителями, но общая длина не более 2,5 км. К сегменту подключается не более 100 PC с расстоянием подключения к среде не менее 2,5 м. Трансивер соединен с сетевым адаптером в PC кабелем длиной не менее 2 м и не более 50 м Скорость передачи 10 Мбит/с.

10 Broad-36 – широкополосная одно – 2-х кабельная система, полоса частот данных до 18 МГц.

10 Base-T – используется неэкранированная витая пара категории 3. Станции соединяются многопортовым концентратором (hub) отрезками кабеля длиной не более 100 м. Для соединения используются две пары (прием/передачи). Концентратор – многопортовый повторитель. Физическая топология: звезда, дерево – образуют общую шину. Общее количество PC в сети не более 1024. Скорость передачи до 10 Мбит/с.

10 Base-F – использование 2-х волоконно-оптических кабелей (прием и передача аналогичны 10 Base-T). Спецификация предусматривает три разновидности с одинаковой скоростью передачи 10 Мбит/с (таблица 4.2).

100 Base X (Fast Ethernet) – быстрый Ethernet, работает на скорости до 100 Мбит/с. Имеет три различных спецификации (таблица 4.3).
Краткие сведения по спецификации технологий 1000 Base-X (Gigabit Ethernet) приведены ниже, в таблице 4.4.

Таблица 4.2

Вид	Место соединения	Число соединений	Расстояние	Общая длина
10 Base- FOIRL	Между повторителями	4	До 1000 м	Не более 2500 м
10 Base-FL	PC-концентратор	4	До 2000 м	Не более 2500 м
10 Base- FB	Повторитель-повторитель	5	До 2000 м	До 2740

Таблица 4.3

Вид	Вид среды передачи	Виды соединений	Общая длина
100Base-TX	2 пары UTP или STP категории 5	PC-концентратор	До 100 м
100 Base-Т4	4 пары UTP категории 3	PC-концентратор (4 пары)	Ддо 100 м
100Base-FX	Многомодовые ОВ 62,5 мкм/125 мкм 2 волокна	Между коммутаторами, повторителями	412 м/2 км

Таблица 4.4

Вид	Среда передачи	Виды соединений
1000 Base-LX	Оптоволокно с использованием лазера 1,3 мкм	Передача данных на расстояние до 550 м (многомодовый) и до 3000 м (одномодовый) по оптическим кабелям
1000 Base-SX	Оптоволокно с использованием лазера 0,85	Передача данных на расстояние до 300 м по одномодовому волокну 62,5 мкм/125 мкм и до 550 м по волокну 50 мкм/125 мкм
1000 Base-CX	STP до 25 м	Связь между устройствами, расположенными в одном помещении

Считается, что Gigabit Ethernet – качественно новая технология. Один порт коммутатора Gigabit Ethernet может управлять трафиком, исходящим, по меньшей мере, от 20 дуплексных соединений Fast Ethernet или от 200 дуплексных соединений портов Ethernet [60]. Коммутаторы способны запоминать до 20 000 до 130 000 адресов.

Сочетание развивающейся технологии Ethernet и протокольного профиля TCP/IP создают возможность экономичного и достаточно качественного расширения спектра услуг пользователям компьютерных сетей, включая услуги мультимедиа в реальном времени. Таким образом, всемирная сеть Интернет, построенная на основе TCP/IP в перспективе может обслуживать трафик реального времени. Примером реального использования протокольной среды TCP/IP для услуг реального времени стала IP-телефония [58], которая также нуждается в качественном решении по доступу. Поэтому рассмотрим некоторые понятия о технологии IP.