Что значит ethernet. Что такое Ethernet – особенности технологии и принципы работы

Ethernet (читается эзернет , от лат. aether - эфир) - пакетная технология передачи данных преимущественно локальных
.

Стандарты Ethernet определяют проводные соединения и электрические сигналы на физическом уровне, формат
кадров и протоколы управления доступом к среде - на канальном уровне модели OSI. Ethernet в основном
описывается стандартами IEEE группы 802.3. Ethernet стал самой распространённой технологией ЛВС в середине
90-х годов прошлого века, вытеснив такие устаревшие технологии, как Arcnet, FDDI и Token ring.

История создания

Технология Ethernet была разработана вместе со многими первыми проектами корпорации Xerox PARC.
Общепринято считать, что Ethernet был изобретён 22 мая 1973 года, когда Роберт Меткалф (Robert Metcalfe)
составил докладную записку для главы PARC о потенциале технологии Ethernet. Но законное право на
технологию Меткалф получил через несколько лет. В 1976 году он и его ассистент Дэвид Боггс (David Boggs)
издали брошюру под названием «Ethernet: Distributed Packet-Switching For Local Computer Networks».

Меткалф ушёл из Xerox в 1979 году и основал компанию 3Com для продвижения компьютеров и локальных
вычислительных сетей (ЛВС). Ему удалось убедить DEC, Intel и Xerox работать совместно и разработать
стандарт Ethernet (DIX). Впервые этот стандарт был опубликован 30 сентября 1980 года. Он начал
соперничество с двумя крупными запатентованными технологиями: token ring и ARCNET, - которые вскоре были похоронены под накатывающимися волнами продукции Ethernet. В процессе борьбы 3Com стала основной компанией в этой отрасли.

В стандарте первых версий (Ethernet v1.0 и Ethernet v2.0) указано, что в качестве передающей среды
используется коаксиальный кабель, в дальнейшем появилась возможность использовать витую пару и оптический
кабель.

Причинами перехода на были:

• возможность работы в дуплексном режиме;
• низкая стоимость кабеля «витой пары»;
• более высокая надёжность сетей при неисправности в кабеле;
• большая помехозащищенность при использовании дифференциального сигнала;
• возможность питания по кабелю маломощных узлов, например IP-телефонов (стандарт Power over Ethernet, POE);
• отсутствие гальванической связи (прохождения тока) между узлами сети. При использовании коаксиального кабеля в российских условиях, где, как правило, отсутствует заземление компьютеров, применение коаксиального кабеля часто сопровождалось пробоем сетевых карт, и иногда даже полным «выгоранием» системного блока.

Причиной перехода на оптический кабель была необходимость увеличить длину сегмента без повторителей.

Метод управления доступом (для сети на ) - множественный доступ с контролем несущей и
обнаружением коллизий (CSMA/CD, Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), скорость передачи
данных 10 Мбит/с, размер пакета от 72 до 1526 байт, описаны методы кодирования данных. Режим работы
полудуплексный, то есть узел не может одновременно передавать и принимать информацию. Количество узлов в
одном разделяемом сегменте сети ограничено предельным значением в 1024 рабочих станции (спецификации
физического уровня могут устанавливать более жёсткие ограничения, например, к сегменту тонкого коаксиала
может подключаться не более 30 рабочих станций, а к сегменту толстого коаксиала - не более 100). Однако
сеть, построенная на одном разделяемом сегменте, становится неэффективной задолго до достижения
предельного значения количества узлов, в основном по причине полудуплексного режима работы.

В 1995 году принят стандарт IEEE 802.3u Fast Ethernet со скоростью 100 Мбит/с и появилась возможность
работы в режиме полный дуплекс. В 1997 году был принят стандарт IEEE 802.3z Gigabit Ethernet со скоростью
1000 Мбит/с для передачи по оптическому волокну и ещё через два года для передачи по витой паре.

Разновидности Ethernet

В зависимости от скорости передачи данных и передающей среды существует несколько вариантов технологии.
Независимо от способа передачи стек сетевого протокола и программы работают одинаково практически во
всех ниже перечисленных вариантах.

Большинство Ethernet-карт и других устройств имеет поддержку нескольких скоростей передачи данных,
используя автоопределение (autonegotiation) скорости и дуплексности, для достижения наилучшего
соединения между двумя устройствами. Если автоопределение не срабатывает, скорость подстраивается под
партнёра, и включается режим полудуплексной передачи. Например, наличие в устройстве порта Ethernet
10/100 говорит о том, что через него можно работать по технологиям 10BASE-T и 100BASE-TX, а порт
Ethernet 10/100/1000 - поддерживает стандарты 10BASE-T, 100BASE-TX и 1000BASE-T.
Ранние модификации Ethernet

• Xerox Ethernet - оригинальная технология, скорость 3Мбит/с, существовала в двух вариантах Version 1 и Version 2, формат кадра последней версии до сих пор имеет широкое применение.
• 10BROAD36 - широкого распространения не получил. Один из первых стандартов, позволяющий работать на больших расстояниях. Использовал технологию широкополосной модуляции, похожей на ту, что используется
  в кабельных модемах. В качестве среды передачи данных использовался коаксиальный кабель.
• 1BASE5 - также известный, как StarLAN, стал первой модификацией Ethernet-технологии, использующей витую пару. Работал на скорости 1 Мбит/с, но не нашёл коммерческого применения.

10 Мбит/с Ethernet

• 10BASE5, IEEE 802.3 (называемый также «Толстый Ethernet») - первоначальная разработка технологии со скоростью передачи данных 10 Мбит/с. Следуя раннему стандарту IEEE использует коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50 Ом (RG-8), с максимальной длиной сегмента 500 метров.
• 10BASE2, IEEE 802.3a (называемый «Тонкий Ethernet») - используется кабель RG-58, с максимальной длиной сегмента 185 метров, компьютеры присоединялись один к другому, для подключения кабеля к сетевой
  карте нужен T-коннектор, а на кабеле должен быть BNC-коннектор. Требуется наличие терминаторов на каждом
  конце. Многие годы этот стандарт был основным для технологии Ethernet.
• StarLAN 10 - Первая разработка, использующая витую пару для передачи данных на скорости 10 Мбит/с.

В дальнейшем эволюционировал в стандарт 10BASE-T.

Несмотря на то, что теоретически возможно подключение к одному кабелю (сегменту) витой пары более чем
двух устройств, работающих в симплексном режиме, такая схема никогда не применяется для Ethernet, в
отличие от работы с . Поэтому, все сети на витой паре используют топологию «звезда»,
в то время как, сети на коаксиальном кабеле построены на топологии «шина». Терминаторы для работы по
витой паре встроены в каждое устройство, и применять дополнительные внешние терминаторы в линии не нужно.

• 10BASE-T, IEEE 802.3i - для передачи данных используется 4 провода кабеля витой пары (две скрученные пары) категории-3 или категории-5. Максимальная длина сегмента 100 метров.
• FOIRL - (акроним от англ. Fiber-optic inter-repeater link). Базовый стандарт для технологии Ethernet, использующий для передачи данных оптический кабель. Максимальное расстояние передачи данных без повторителя 1 км.
• 10BASE-F, IEEE 802.3j - Основной термин для обозначения семейства 10 Мбит/с ethernet-стандартов, использующих оптический кабель на расстоянии до 2 километров: 10BASE-FL, 10BASE-FB и 10BASE-FP. Из перечисленного только 10BASE-FL получил широкое распространение.
• 10BASE-FL (Fiber Link) - Улучшенная версия стандарта FOIRL. Улучшение коснулось увеличения длины сегмента до 2 км.
• 10BASE-FB (Fiber Backbone) - Сейчас неиспользуемый стандарт, предназначался для объединения повторителей в магистраль.
• 10BASE-FP (Fiber Passive)- Топология «пассивная звезда», в которой не нужны повторители - никогдане применялся.

Быстрый Ethernet (Fast Ethernet, 100 Мбит/с)

• 100BASE-T - общий термин для обозначения стандартов, использующих в качестве среды передачи данных . Длина сегмента до 100 метров. Включает в себя стандарты 100BASE-TX, 100BASE-T4 и 100BASE-T2.
• 100BASE-TX, IEEE 802.3u - развитие стандарта 10BASE-T для использования в сетях топологии «звезда». Задействована витая пара категории 5, фактически используются только две неэкранированные пары проводников, поддерживается дуплексная передача данных, расстояние до 100 м.
• 100BASE-T4 - стандарт, использующий витую пару категории 3. Задействованы все четыре пары проводников, передача данных идёт в полудуплексе. Практически не используется.
• 100BASE-T2 - стандарт, использующий витую пару категории 3. Задействованы только две пары проводников. Поддерживается полный дуплекс, когда сигналы распространяются в противоположных направлениях по каждой паре. Скорость передачи в одном направлении - 50 Мбит/с. Практически не используется.
• 100BASE-SX - стандарт, использующий многомодовое волокно. Максимальная длина сегмента 400 метров в полудуплексе (для гарантированного обнаружения коллизий) или 2 километра в полном дуплексе.
• 100BASE-FX - стандарт, использующий одномодовое волокно. Максимальная длина ограничена только
  величиной затухания в оптическом кабеле и мощностью передатчиков, по разным материалам от 2х до 10
  километров
• 100BASE-FX WDM - стандарт, использующий одномодовое волокно. Максимальная длина ограничена только
  величиной затухания в волоконно-оптическом кабеле и мощностью передатчиков. Интерфейсы бывают двух
  видов, отличаются длиной волны передатчика и маркируются либо цифрами (длина волны) либо одной латинской
  буквой A(1310) или B(1550). В паре могут работать только парные интерфейсы: с одной стороны передатчик
  на 1310 нм, а с другой - на 1550 нм.

• 1000BASE-T, IEEE 802.3ab - стандарт, использующий витую пару категорий 5e. В передаче данных участвуют 4 пары. Скорость передачи данных - 250 Мбит/с по одной паре. Используется метод кодирования PAM5, частота основной гармоники 62,5 МГц. Расстояние до 100 метров
• 1000BASE-TX был создан Ассоциацией Телекоммуникационной Промышленности (англ. Telecommunications
  Industry Association, TIA) и опубликован в марте 2001 года как «Спецификация физического уровня
  дуплексного Ethernet 1000 Мб/с (1000BASE-TX) симметричных кабельных систем категории 6
  (ANSI/TIA/EIA-854-2001)» (англ. «A Full Duplex Ethernet Specification for 1000 Mbis/s (1000BASE-TX)
  Operating Over Category 6 Balanced Twisted-Pair Cabling (ANSI/TIA/EIA-854-2001)»). Стандарт, использует
  раздельную приёмо-передачу (по одной паре в каждом направлении), что существенно упрощает конструкцию
  приёмопередающих устройств. Ещё одним существенным отличием 1000BASE-TX является отсутствие схемы
  цифровой компенсации наводок и возвратных помех, в результате чего сложность, уровень энергопотребления
  и цена процессоров становится ниже, чем у процессоров стандарта 1000BASE-T. Но, как следствие, для
  стабильной работы по такой технологии требуется кабельная система высокого качества, поэтому 1000BASE-TX
  может использовать только кабель 6 категории. На основе данного стандарта практически не было создано
  продуктов, хотя 1000BASE-TX использует более простой протокол, чем стандарт 1000BASE-T, и поэтому может
  использовать более простую электронику.
• 1000BASE-X - общий термин для обозначения стандартов со сменными приёмопередатчиками GBIC или SFP.
• 1000BASE-SX, IEEE 802.3z - стандарт, использующий многомодовое волокно. Дальность прохождения
  сигнала без повторителя до 550 метров.
• 1000BASE-LX, IEEE 802.3z - стандарт, использующий одномодовое волокно. Дальность прохождения
  сигнала без повторителя до 5 километров.
• 
  
  используется.
• 1000BASE-CX - стандарт для коротких расстояний (до 25 метров), использующий твинаксиальный кабель
  с волновым сопротивлением 75 Ом (каждый из двух волноводов). Заменён стандартом 1000BASE-T и сейчас не
  используется.
• 1000BASE-LH (Long Haul) - стандарт, использующий одномодовое волокно. Дальность прохождения
  сигнала без повторителя до 100 километров.

10-гигабитный Ethernet

Новый стандарт 10-гигабитного Ethernet включает в себя семь стандартов физической среды для LAN, MAN и
WAN. В настоящее время он описывается поправкой IEEE 802.3ae и должен войти в следующую ревизию
стандарта IEEE 802.3.

• 10GBASE-CX4 - Технология 10-гигабитного Ethernet для коротких расстояний (до 15 метров), используется медный кабель CX4 и коннекторы InfiniBand.
• 10GBASE-SR - Технология 10-гигабитного Ethernet для коротких расстояний (до 26 или 82 метров, в
  зависимости от типа кабеля), используется многомодовое волокно. Он также поддерживает расстояния до 300
  метров с использованием нового многомодового волокна (2000 МГц/км).
• 10GBASE-LX4 - использует уплотнение по длине волны для поддержки расстояний от 240 до 300 метров по многомодовому волокну. Также поддерживает расстояния до 10 километров при использовании одномодового
  волокна.
• 10GBASE-LR и 10GBASE-ER - эти стандарты поддерживают расстояния до 10 и 40 километров
  соответственно.
• 10GBASE-SW, 10GBASE-LW и 10GBASE-EW - Эти стандарты используют физический интерфейс, совместимый
  по скорости и формату данных с интерфейсом OC-192 / STM-64 SONET/SDH. Они подобны стандартам 10GBASE-SR,
  10GBASE-LR и 10GBASE-ER соответственно, так как используют те же самые типы кабелей и расстояния передачи.
• 10GBASE-T, IEEE 802.3an-2006 - принят в июне 2006 года после 4 лет разработки. Использует
  экранированную витую пару. Расстояния - до 100 метров.

Слово Ethernet произошло от двух слов «ether» или эфир и «net» — сеть. То есть в переводе получится эфирная сеть.

Надо понимать, что Ethernet и Интернет – это совершенно разные вещи. Так, Ethernet – это технология, с помощью которой информация передается между компьютерами, связанными в локальную сеть. В тоже время Интернет – это глобальная система взаимодействующих друг с другом компьютерных сетей во всем мире. По сути, это всемирное информационное пространство, которое создано на базе протокола IP.

Ethernet технология используется в промышленности, офисах, сотовой связи, везде, где реализован обмен данными между машинами. Технология является своего рода заменителем радиовещания.

Используются специально разработанные стандарты для трансляции . Их называют протоколами. Это Fast и Gigabit Ethernet, и самый максимальный 10G Ethernet. Последний только развивается. При передаче информации по технологии 10 гигабитного интернета будет использоваться оптоволокно, в отличие от обычного гигабитного, где используется медный провод.

Немного истории

Эта технология появилась в 1973 году. Но сам стандарт был утвержден и разработан только в 1980. А в 1981 году был выпущен первый трансивер или приемопередатчик. В 1983 появился стандарт IEEE 802,3 технологии Ethernet.

Сетевой адаптер появился немногим позже, в 1982. В 1985 году был запущен Ethernet II, а уже через пять лет появилась всем знакомая технология 10 BaseT – витая пара. И последним витком истории технологии является 1995 год, когда был введен Fast Ethernet или современный 100 BaseT.

Как это работает

Работает технология Gigabit Ethernet в отличие от своих предшественников используя четырех-парный кабель. Этот провод является самым надежным и защищенным от всякого рода коллизий.

Передача данных кодируется не двумя уровнями, а четырьмя (00, 01, 10, 11). Получается, что в один кадр входит сразу два бита.

Кадром называется пакет из восьми заголовков, которые содержат в себе адреса получателя и отправителя, задачи для адаптеров для синхронной приемо-передачи информации, полей контрольных сумм и самой информации. Сейчас повсеместно используется кадр формата 802,3 технологии Изернет. Он и определяет все эти восемь заголовков.

Передача информации происходит следующим образом – информация в одном компьютере формируется в кадр, кодируется и через сетевой адаптер поступает к адаптеру другого устройства, где тот расшифровывает ее и посылает на экран пользователя в виде необходимых ему данных.

На рисунке показан двухуровневый сигнал , который использовался раньше и четырехуровневый – более современный.

Такая схема называется амплитудно-импульсным кодированием . Она создана для того, чтобы снизить частоту напряжения до 125 Мегагерц. А адаптер уже выбирает сам из общего канала свой переданный сигнал для получения сигнала от другого компьютера.

Ethernet – коллизии

Езернет коллизии – это ошибки, которые могут происходить во время передачи данных между персональными устройствами. Это слово происходит от английского collision – столкновение.

Чаще всего такие ошибки возникают потому, что одна станция начинает отправлять информацию раньше другой . То есть, пока другой компьютер отправляет данные и информация находится в середине пути, второе устройство начинает свою передачу. В результате пакеты информации сталкиваются не достигнув цели, устройства прослушав протоколы и обнаружив такие ошибки, прерывают передачу. Такие коллизии часто происходили, когда подключение происходило по коаксиальному Ethernet кабелю или по витой паре, состоящей из двух пар.

Сейчас при полном дуплексном режиме такое случается редко.

Как происходит подключение

Ранее подключение между компьютерами происходило с помощью коаксиальных кабелей, специальных переходников и трансиверов, если приходилось соединять толстые и тонкие кабеля. В случае повреждения хотя бы одного кабеля, вся сеть переставала работать.

Для передачи сигналов на данный момент используется кабель витая пара и коннекторы RJ45, которые подключаются к компьютерам и другим периферийным устройствам, или роутеру. Сейчас все более получает распространение оптоволоконный кабель. Здесь скорость разумеется в разы больше. Преимущество оптоволокна в его надежности и защите от всякого рода коллизий.

При подключении к сети на каждом компьютере устанавливается Ethernet контроллер или, как его еще называют, сетевая карта, которая выполняет своего рода шифрование и дешифрование полученной и отправляемой им информации. А портом Ethernet называется интерфейс входа на сетевой карте, который обычно называют lan порт.

Разновидности Ethernet

Существует несколько разновидностей сетевой технологии Ethernet, каждый из которых зависит от скорости и передающей среды. Ранние разновидности были следующими:

• Xerox Ethernet со скорость 3 мегабита в секунду.
• 1base5 со скоростью 1 Мб/с , но использовал витую пару.

Десяти мегабитный Езернет имел такие модификации:

• 10base5 со скоростью 10 мегабит с использованием толстого коаксиального кабеля.
• 10base2. Использовался тонкий кабель, но нужны были терминаторы или переходники на каждом конце.
• 10baseT – использовалась витая пара, но максимальная длина провода могла составлять только 100 метров от маршрутизатора.

Быстрый (Fast) подразделяется на:

• 100 baseT – скорость 100 Мб/с , использование витой пары. Длина – 100 метров от маршрутизатора.
• 100base fx – скорость 100 Мб/с . Длина от 400 метров до 2 километров в полном дуплексе.

Гигабитный:

• 1000 base lx – использование оптического волокна для передачи данных. Для одномодового – длина равняется 5 километрам, а для многомодового – 550 метров.
• 1000 base sx – также используется оптическое волокно, а длина передачи данных составляет всего 550 метров.
• 1000base T – для передачи информации используется витая пара стандарта 5е.

10 гигабитный:

• 10gbase t — применяется витая пара категории 6е.
• 10gbase lx4 – используется оптоволокно. Одномодовое – 10 километров. Многомодовое – 300 метров.
• 10 gbase cx4 – нужен кабель из меди cx4 и коннекторы InfiniBand.

MAC-адрес

Мак адрес или адрес персонального устройства, который дается ему при изготовлении, является идентификатором, дающим определение той или иной компьютерной единице в сети.

Он позволяет идентифицировать хост и поставлять ему те или иные данные, информацию. Благодаря этому можно избежать тех или иных коллизий, которые могут возникнуть при передаче информации. Таким образом данные всегда строго поступят тому компьютеру, которому они назначались.

Найти его можно открыв свойства вашего сетевого адаптера. Он состоит из шестнадцатеричного набора цифр и букв. Он присваивается не только ПК, но и принтерам, маршрутизаторам, роутерам и другим устройствам, которые работают в локальной или всемирной сети.

При разработке технологии Ethernet ставилось несколько задач: она должна быть построена по принципу общей шины и поддерживать широковещательный режим передачи данных, обеспечивать негарантированную доставку пакетов (best-effort) и распределенное управление доступом. В сети Ethernet используется топология, которая называется общей шиной , поскольку все рабочие станции подключаются к одному совместно используемому каналу связи. Кроме того, сеть Ethernet построена по принципу широковещательной передачи данных (broadcast technology) , т.е. абоненты сети получают все посланные в эфир пакеты. Это позволяет передать пакет сразу всем абонентам сети.

О том, как переслать пакет от одной рабочей станции к другой или к их группе, речь пойдет чуть ниже. А пока достаточно понять, что на самом нижнем уровне в сети Ethernet находится оборудование, которое не различает адресатов в передаваемых пакетах. Другими словами, от концентратора пакеты поступают на все подключенные к нему сетевые платы, а плата уже “решает”, какие пакеты должен принять компьютер, в котором она установлена.

В технологии Ethernet не предпринимаются специальные усилия для доставки пакетов. Поскольку сетевому оборудованию отправителя не передается информация о доставке пакета получателю, нельзя гарантировать, что пакет будет доставлен получателю без проблем. Типична, например, ситуация, когда компьютер получателя выключен. При этом все посланные ему пакеты теряются, а отправитель об этом даже не подозревает. Ниже будет описано, как в семействе протоколов TCP/IP решается проблема негарантированной доставки пакетов сетевым оборудованием.

В технологии Ethernet применяется распределенное управление доступом, так как, в отличие от некоторых других сетевых технологий, в нем не предусмотрена централизованная система предоставления доступа. В Ethernet применяется система доступа, называемая множественным доступом с контролем несущей и обнаружением коллизий (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect , или CSMA/CD) . Название множественный доступ с контролем несущей говорит о том, что одновременный доступ к сети Ethernet имеет множество компьютеров. При этом каждая машина определяет, свободен ли эфир, по наличию несущей частоты в кабеле. Когда сетевая плата собирается передать пакет данных, она проверяет, не передается ли по сети в этот момент кем-либо другой пакет (т.е. выполняет контроль несущей). Если несущая в кабеле не обнаружена, сетевая плата начинает передачу данных. Процесс передачи пакета ограничен во времени, поскольку его длина конечна и не может превышать заранее оговоренного значения, называемого максимальным размером пакета. Кроме того, время, прошедшее после предыдущей отправки пакета сетевой платой, не должно быть меньше заранее установленного значения. Это сделано для того, чтобы предотвратить монопольное использование сети одним компьютером и предоставить доступ к сети другим абонентам.

Ethernet - это самый распространенный на сегодняшний день стандарт локальных сетей. Общее количество сетей, использующих в настоящее время Ethernet, оценивается в 5 миллионов, а количество компьютеров, работающих с установленными сетевыми адаптерами Ethernet - в 50 миллионов.

Когда говорят Ethernet, то под этим обычно понимают любой из вариантов этой технологии. В более узком смысле, Ethernet - это сетевой стандарт, основанный на технологиях экспериментальной сети Ethernet Network, которую фирма Xerox разработала и реализовала в 1975 году (еще до появления персонального компьютера). Метод доступа был опробован еще раньше: во второй половине 60-х годов в радиосети Гавайского университета использовались различные варианты случайного доступа к общей радиосреде, получившие общее название Aloha. В 1980 году фирмы DEC, Intel и Xerox совместно разработали и опубликовали стандарт Ethernet версии II для сети, построенной на основе коаксиального кабеля. Поэтому стандарт Ethernet иногда называют стандартом DIX по заглавным буквам названий фирм.

Рис. 3. Примитивы уровня LLC а, в, с - без установления соединения, d - с установлением соединения

На основе стандарта Ethernet DIX был разработан стандарт IEEE 802.3, который во многом совпадает со своим предшественником, но некоторые различия все же имеются. В то время, как в стандарте IEEE 802.3 различаются уровни MAC и LLC, в оригинальном Ethernet оба эти уровня объединены в единый канальный уровень. В Ethernet определяется протокол тестирования конфигурации (Ethernet Configuration Test Protocol), который отсутствует в IEEE 802.3. Несколько отличается и формат кадра, хотя минимальные и максимальные размеры кадров в этих стандартах совпадают.

В зависимости от типа физической среды стандарт IEEE 802.3 имеет различные модификации - 10Base-5, 10Base-2, 10Base-T, 10Base-F.

Для передачи двоичной информации по кабелю для всех вариантов физического уровня технологии Ethernet используется манчестерский код.

Все виды стандартов Ethernet используют один и тот же метод разделения среды передачи данных - метод CSMA/CD.

4.1. Метод доступа csma/cd

В сетях Ethernet используется метод доступа к среде передачи данных, называемый методом коллективного доступа с опознаванием несущей и обнаружением коллизий (carrier-sense-multiply-access with collision detection, CSMA/CD) .

Этот метод используется исключительно в сетях с общей шиной (к которым относятся и радиосети, породившие этот метод). Все компьютеры такой сети имеют непосредственный доступ к общей шине, поэтому она может быть использована для передачи данных между любыми двумя узлами сети. Простота схемы подключения - это один из факторов, определивших успех стандарта Ethernet. Говорят, что кабель, к которому подключены все станции, работает в режиме коллективного доступа (multiply-access,MA).

Все данные, передаваемые по сети, помещаются в кадры определенной структуры и снабжаются уникальным адресом станции назначения. Затем кадр передается по кабелю. Все станции, подключенные к кабелю, могут распознать факт передачи кадра, и та станция, которая узнает собственный адрес в заголовках кадра, записывает его содержимое в свой внутренний буфер, обрабатывает полученные данные и посылает по кабелю кадр-ответ. Адрес станции-источника также включен в исходный кадр, поэтому станция-получатель знает, кому нужно послать ответ.

При описанном подходе возможна ситуация, когда две станции одновременно пытаются передать кадр данных по общему кабелю (рис. 3). Для уменьшения вероятности этой ситуации непосредственно перед отправкой кадра передающая станция слушает кабель (то есть принимает и анализирует возникающие на нем электрические сигналы), чтобы обнаружить, не передается ли уже по кабелю кадр данных от другой станции. Если опознается несущая (carrier-sense, CS) , то станция откладывает передачу своего кадра до окончания чужой передачи, и только потом пытается вновь его передать. Но даже при таком алгоритме две станции одновременно могут решить, что по шине в данный момент времени нет передачи, и начать одновременно передавать свои кадры. Говорят, что при этом происходитколлизия , так как содержимое обоих кадров сталкивается на общем кабеле, что приводит к искажению информации.

Чтобы корректно обработать коллизию, все станции одновременно наблюдают за возникающими на кабеле сигналами. Если передаваемые и наблюдаемые сигналы отличаются, то фиксируется обнаружение коллизии (collision detection, CD) . Для увеличения вероятности немедленного обнаружения коллизии всеми станциями сети, ситуация коллизии усиливается посылкой в сеть станциями, начавшими передачу своих кадров, специальной последовательности битов, называемойjam-последовательностью .

После обнаружения коллизии передающая станция обязана прекратить передачу и ожидать в течение короткого случайного интервала времени, а затем может снова сделать попытку передачи кадра.

Из описания метода доступа видно, что он носит вероятностный характер, и вероятность успешного получения в свое распоряжение общей среды зависит от загруженности сети, то есть от интенсивности возникновения в станциях потребности передачи кадров. При разработке этого метода предполагалось, что скорость передачи данных в 10 Мб/с очень высока по сравнению с потребностями компьютеров во взаимном обмене данными, поэтому загрузка сети будет всегда небольшой. Это предположение остается часто справедливым и по сей день, однако уже появились приложения, работающие в реальном масштабе времени с мультимедийной информацией, для которых требуются гораздо более высокие скорости передачи данных. Поэтому наряду с классическим Ethernet"ом растет потребность и в новых высокоскоростных технологиях.

Метод CSMA/CD определяет основные временные и логические соотношения, гарантирующие корректную работу всех станций в сети:

Между двумя последовательно передаваемыми по общей шине кадрами информации должна выдерживаться пауза в 9.6 мкс; эта пауза нужна для приведения в исходное состояние сетевых адаптеров узлов, а также для предотвращения монопольного захвата среды передачи данных одной станцией.

При обнаружении коллизии (условия ее обнаружения зависят от применяемой физической среды) станция выдает в среду специальную 32-х битную последовательность (jam-последовательность), усиливающую явление коллизии для более надежного распознавания ее всеми узлами сети.

После обнаружения коллизии каждый узел, который передавал кадр и столкнулся с коллизией, после некоторой задержки пытается повторно передать свой кадр. Узел делает максимально 16 попыток передачи этого кадра информации, после чего отказывается от его передачи. Величина задержки выбирается как равномерно распределенное случайное число из интервала, длина которого экспоненциально увеличивается с каждой попыткой. Такой алгоритм выбора величины задержки снижает вероятность коллизий и уменьшает интенсивность выдачи кадров в сеть при ее высокой загрузке.

Рис. 3. Схема возникновения коллизии в методе случайного доступа CSMA/CD (tp - задержка распространения сигнала между станциями A и B)

Четкое распознавание коллизий всеми станциями сети является необходимым условием корректной работы сети Ethernet. Если какая-либо передающая станция не распознает коллизию и решит, что кадр данных ею передан верно, то этот кадр данных будет утерян, так как информация кадра исказится из-за наложения сигналов при коллизии, он будет отбракован принимающей станцией (скорее всего из-за несовпадения контрольной суммы). Конечно, скорее всего искаженная информация будет повторно передана каким-либо протоколом верхнего уровня, например, транспортным или прикладным, работающим с установлением соединения и нумерацией своих сообщений. Но повторная передача сообщения протоколами верхних уровней произойдет через гораздо более длительный интервал времени (десятки секунд) по сравнению с микросекундными интервалами, которыми оперирует протокол Ethernet. Поэтому, если коллизии не будут надежно распознаваться узлами сети Ethernet, то это приведет к заметному снижению полезной пропускной способности данной сети.

Все параметры протокола Ethernet подобраны таким образом, чтобы при нормальной работе узлов сети коллизии всегда четко распознавались. Именно для этого минимальная длина поля данных кадра должна быть не менее 46 байт (что вместе со служебными полями дает минимальную длину кадра в 72 байта или 576 бит). Длина кабельной системы выбирается таким образом, чтобы за время передачи кадра минимальной длины сигнал коллизии успел бы распространиться до самого дальнего узла сети. Поэтому для скорости передачи данных 10 Мб/с, используемой в стандартах Ethernet, максимальное расстояние между двумя любыми узлами сети не должно превышать 2500 метров.

С увеличением скорости передачи кадров, что имеет место в новых стандартах, базирующихся на том же методе доступа CSMA/CD, например, Fast Ethernet, максимальная длина сети уменьшается пропорционально увеличению скорости передачи. В стандарте Fast Ethernet она составляет 210 м, а в гигабитном Ethernet ограничена 25 метрами.

Независимо от реализации физической среды, все сети Ethernet должны удовлетворять двум ограничениям, связанным с методом доступа:

максимальное расстояние между двумя любыми узлами не должно превышать 2500 м,

в сети не должно быть более 1024 узлов.

Кроме того, каждый вариант физической среды добавляет к этим ограничениям свои ограничения, которые также должны выполняться.

Уточним основные параметры операций передачи и приема кадров Ethernet, кратко описанные выше.

Станция, которая хочет передать кадр, должна сначала с помощью MAC-узла упаковать данные в кадр соответствующего формата. Затем для предотвращения смешения сигналов с сигналами другой передающей станции, MAC-узел должен прослушивать электрические сигналы на кабеле и в случае обнаружения несущей частоты 10 МГц отложить передачу своего кадра. После окончания передачи по кабелю станция должна выждать небольшую дополнительную паузу, называемую межкадровым интервалом (interframe gap) , что позволяет узлу назначения принять и обработать передаваемый кадр, и после этого начать передачу своего кадра.

Одновременно с передачей битов кадра приемно-передающее устройство узла следит за принимаемыми по общему кабелю битами, чтобы вовремя обнаружить коллизию. Если коллизия не обнаружена, то передается весь кадр, поле чего MAC-уровень узла готов принять кадр из сети либо от LLC-уровня.

Если же фиксируется коллизия, то MAC-узел прекращает передачу кадра и посылает jam-последовательность, усиливающую состояние коллизии. После посылки в сеть jam-последовательности MAC-узел делает случайную паузу и повторно пытается передать свой кадр.

В случае повторных коллизий существует максимально возможное число попыток повторной передачи кадра (attempt limit) , которое равно 16. При достижении этого предела фиксируется ошибка передачи кадра, сообщение о которой передается протоколу верхнего уровня.

Для того, чтобы уменьшить интенсивность коллизий, каждый MAC-узел с каждой новой попыткой случайным образом увеличивает длительность паузы между попытками. Временное расписание длительности паузы определяется на основе усеченного двоичного экспоненциального алгоритма отсрочки (truncated binary exponential backoff) . Пауза всегда составляет целое число так называемых интервалов отсрочки.

Интервал отсрочки (slot time) - это время, в течение которого станция гарантированно может узнать, что в сети нет коллизии. Это время тесно связано с другим важным временным параметром сети -окном коллизий (collision window) . Окно коллизий равно времени двукратного прохождения сигнала между самыми удаленными узлами сети - наихудшему случаю задержки, при которой станция еще может обнаружить, что произошла коллизия. Интервал отсрочки выбирается равным величине окна коллизий плюс некоторая дополнительная величина задержки для гарантии:

интервал отсрочки = окно коллизий + дополнительная задержка

В стандартах 802.3 большинство временных интервалов измеряется в количестве межбитовых интервалов, величина которых для битовой скорости 10 Мб/с составляет 0.1 мкс и равна времени передачи одного бита.

Величина интервала отсрочки в стандарте 802.3 определена равной 512 битовым интервалам, и эта величина рассчитана для максимальной длины коаксиального кабеля в 2.5 км. Величина 512 определяет и минимальную длину кадра в 64 байта, так как при кадрах меньшей длины станция может передать кадр и не успеть заметить факт возникновения коллизии из-за того, что искаженные коллизией сигналы дойдут до станции в наихудшем случае после завершения передачи. Такой кадр будет просто потерян.

Время паузы после N-ой коллизии полагается равным L интервалам отсрочки, где L - случайное целое число, равномерно распределенное в диапазоне . Величина диапазона растет только до 10 попытки (напомним, что их не может быть больше 16), а далее диапазон остается равным , то есть . Значения основных параметров процедуры передачи кадра стандарта 802.3 приведено в таблице 1.

Таблица 1 .

Учитывая приведенные параметры, нетрудно рассчитать максимальную производительность сегмента Ethernet в таких единицах, как число переданных пакетов минимальной длины в секунду (packets-per-second, pps). Количество обрабатываемых пакетов Ethernet в секунду часто используется при указании внутренней производительности мостов и маршрутизаторов, вносящих дополнительные задержки при обмене между узлами. Поэтому интересно знать чистую максимальную производительность сегмента Ethernet в идеальном случае, когда на кабеле нет коллизий и нет дополнительных задержек, вносимых мостами и маршрутизаторами.

Так как размер пакета минимальной длины вместе с преамбулой составляет 64+8 = 72 байта или 576 битов, то на его передачу затрачивается 57.6 мкс. Прибавив межкадровый интервал в 9.6 мкс, получаем, что период следования минимальных пакетов равен 67.2 мкс. Это соответствует максимально возможной пропускной способности сегмента Ethernet в 14880 п/с.

Ethernet - это самый распространенный на сегодняшний день стандарт локальных сетей, реализуемый на канальном уровне модели OSI. Общее количество работающих по протоколу Ethernet сетей оценивается в 5 миллионов, а количество компьютеров с установленными адаптерами Ethernet – более чем в 50 миллионов. Ethernet – это сетевой стандарт, разработанный фирмой Xerox в 1975 году и принятый комитетом IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers).

Указанный стандарт использует метод разделения среды – метод CSMA/ CD (carrier- sense – multiply- acces with collision detection)- метод коллективного доступа с опознаванием несущей и обнаружением коллизий. Этот метод используется исключительно в сетях с топологией “общая шина”. Все компьютеры в такой топологии имеют доступ к общей шине, все компьютеры имеют возможность немедленно получить данные, которые любой из компьютеров начал передавать на общую шину. Простота подключения предопределяет успех технологии Ethernet. Базовый cтандарт Ethernet предписывает передачу двоичной информации для всех вариантов физической среды со скоростью 10 Мбит/с.

Принцип работы Ethernet следующий.

Чтобы получить возможность передавать кадр компьютер должен убедиться, канал связи (среда) свободен. Это достигается прослушиванием основной гармоники сигнала, которая также называется несущей частотой (carrier- sense, CS). Признаком незанятости канала является отсутствие на ней несущей частоты (5 – 10 МГц). Если среда свободна, то компьютер начинает передавать кадр. Если в это время другой компьютер пробует начать передачу, но обнаруживает, что канал занят, он вынужден ждать, пока первый компьютер не прекратить передачу кадра.

После окончания передачи кадра все компьютеры вынуждены выдержать технологическую паузу в 9,6 мкс. Такая пауза необходима для приведения сетевых адаптеров в исходное состояние. Механизм прослушивания среды не гарантирует от возникновения такой ситуации, когда два или более компьютеров одновременно решают, что среда свободна и начинают передачу своих кадров. В этом случае возникает коллизия, так как оба кадры сталкиваются на общем кабеле и происходит искажение информации. (Рис 1). Для возникновения коллизии не обязательно, чтобы несколько компьютеров начали передачу абсолютно одновременно, такая ситуация маловероятно. Гораздо вероятней, что коллизия возникает из-за того, что один компьютер начинает передачу кадра раньше другого, но до второго компьютера сигнал первого просто не успевает дойти, когда он решает начать передачу. Другими словами, коллизии- это следствия распределенного характера сети. Чтобы отработать коллизию все компьютеры одновременно наблюдают за сигналами на кабеле.

Если передаваемые и наблюдаемые сигналы отличаются, то фиксируется коллизия. Для увеличения вероятности скорейшего обнаружения коллизии всеми компьютерами сети тот компьютер, который обнаружил коллизию прерывает передачу своего кадра и усиливает коллизию передачей в сеть специальной последовательности (4 байта), называемой jam- последовательностью.

Прекративший передачу компьютер должен сделать паузу в течение короткого случайного интервала времени, а затем снова предпринять попытку захвата канала и передачи кадра. Случайная пауза выбирается следующим образом:

Пауза = L x (интервал отсрочки) (1)

Интервал отсрочки равен 512 bt - битовым интервалам. В технологии Ethernet битовым интервалом называется интервал времени между появлением двух последовательных бит данных на кабеле. Для скорости канала 10 Мбит/ с величина битового интервала равна 0,1 мкс.