Метод доступа CSMS/CD, спецификация физической среды. Метод доступа CSMA/SD, спецификация физической среды. Развитие технологий Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet. Полнодуплексная передача.

  1. Ethernet
    1. Ethernet как вариант метода доступа CSMA/CD. Спецификация физической среды Ethernet (10Base-2, 10Base-5, 10Base-T, 10Base-F). Сводная таблица характеристик и ограничений стандартов Ethernet.
    2. Форматы кадров Ethernet.
    3. Сводная таблица по использованию рзных типов кадров Ethernet протоколами высших уровней.
  2. Fast Ethernet
    1. Отличие технологии Fast Ethernet от Ethernet.
    2. Спецификация физической среды (100Base-TX, 100Base-T4, 10Base-FX).
  3. Gigabit Ethernet
    1. Спецификация физичсекой среды (1000Base-SX, 1000Base-LX).
    2. Проблемы технологии Gigabit Ethernet.
  4. Литература
  1. Ethernet
    1. Ethernet как вариант метода доступа CSMA/CD. Спецификация физической среды Ethernet (10Base-2, 10Base-5, 10Base-T, 10Base-F). Сводная таблица характеристик и ограничений стандартов Ethernet.
      Метод доступа к среде в технологии Ethernet является вариантом метода CSMA/CD, а именно метод CSMA/CD с двоичной экспоненциальной отсрочкой (Binary Exponential Backoff).
      Если станция готова к передаче данных, она действует по следующему алгоритму.
      1. Станция ожидает освобождение канала.
      2. После освобождения канала перед непосредственно передачей станция выдерживает паузу, называемую межкадровым интервалом (Inter Packet Gap, IPG). Его длительность равна времени передачи 96 бит. Для скорости 10 Мбит/с она составляет 9,6 мкс, а для скорости 100 Мбит/с - 0,96 мкс. Эта пауза нужна для предотвращения монопольного захвата сети одной станцией. Во время передачи станция продолжает контролировать состояние канала. Если передаваемый и наблюдаемый сигнал отличаются, то считается, что обнаружена коллизия.
      3. Если конфликт выявляется во время передачи преамбулы, то оставшаяся часть преамбулы всё равно передаётся, чтобы усилить сигнал коллизии. Когда конфликт возникает во время пересылки остальной части кадра, станция пересылает последовательность из 32 бит, называемую jam-последовательностью.
      4. После прекращения передачи пакета станция ожидает случайное время, затем переходит к шагу 1.

      Двоичная экспоненциальная отсрочка.
      После возникновения коллизии время разбивается на дискретные промежутки, длительность каждого устанавливается равной 512 bt1. Назовём этот промежуток интервалом отсрочки.
      После первой коллизии станции ожидают 0 или 1 интервал отсрочки. После второй период ожидания длится 0, 1, 2 или 3 интервала отсрочки. Короче говоря, выбирается количество интервалов отсрочки из интервала [0, 2n .. 1], где n - номер попытки. После десятой попытки верхняя граница интервала фиксируется. После шестнадцатой попытки передатчик должен прекратить передачу и отбросить этот кадр.

      Спецификация IEEE 802.3 используeт разные топологии, единственным ограничением является запрет на контура - должен существовать лишь один путь пакета от одной NIC до другой. Известны четыре среды передачи, используемые в Ethernet:

      • 10Base5 - коаксиальный кабель RG-11 с волновым сопротивлением 50 Ом, N-соединители (N-connectors), трансиверы (приемопередатчики), устанавливаемые непосредственно на кабеле, NIC соединяются с трансивером витой парой на разъемах AUI. Жаргонное название - "Толстый" Ethernet.
      • 10Base-2 - коаксиальный кабель RG-58 с волновым сопротивлением 50 Ом, байонетные T-образные разъемы (BNC T-connectors), трансиверы (приемопередатчики), интегрированные непосредственно в NIC (Network Interface Card, сетевой адаптер). Жаргонное название - "Тонкий" Ethernet.
      • 10Base-T - кабель типа "неэкранированная витая пара" UTP lev3 или lev5, концентраторы, разъемы RJ-45.
      • 10Base-F - Соедиение типа "точка-точка" оптическим кабелем, многомодовое волокно с диаметром сердцевины 62.5мкм. Предназначено для соединения сегментов Ethernet в разных зданиях.

      Характеристики Ethernet IEEE 802.3
      10Base5 10Base2 1Base5 10BaseT 10Broad36 10BaseF
      Скорость, Mbps 10 1 10 10 10 10 10
      Метод передачи Baseband Baseband Baseband Baseband Baseband Broadband Baseband
      Макс. длина сегмента, м 500 500 185 250 100 1800 1800
      Среда передачи 50-Ом коаксиал (толстый) 50-Ом коаксиал (толстый) 50-Ом коаксиал (тонкий) неэкр. витая пара неэкр. витая пара 75-Om коаксиал Многомодовая оптика 62.5мкм диам.
      Топология Шина Шина Шина Звезда Звезда Шина Звезда

      Таблица 1. Сводная таблица характеристик стандартов Ethernet.

    2. Форматы кадров Ethernet.

      Стандарт технологи Ethernet, определенный в документе IEEE802.3, дает описание единственного формата кадра уровня МАС. Так как в кадр уровня МАС должен вкладываться кадр уровня LLC, описанный в документе IEEE802.2, то по стандартам IEEE в сети Ethernet может использоваться только один формат кадра канального уровня, заголовок которого является комбинацией заголовков подуровней МАС и LLC.
      Тем не менее на практике в сетях Ethernet на канальном уровне используются кадры 4-x различных форматов. Один и тот же тип кадра может иметь разные названия.

      • Кадр Ethernet DIX (Ethernet II). Появился в результате работы консорциума трех фирм Digital, Intel и Xerox в 1980 году, который представил на рассмотрение комитету 802.3 свою фирменную версию стандарта Ethernet в качестве проекта международного стандарта.
      • 802.3/LLC, 802.3/802.2 или Novell 802.2. Принят комитетом 802.3 принял стандарт отличающийся в некоторых деталях от Ethernet DIX.
      • Кадр Raw 802.3, или Novell 802.3 - появился в результате усилий компании Novell по ускорению работы своего стека протоколов в сетях Ethernet

      Каждый кадр начинается с преамбулы (Preamble) Длиной 7 байт, заполненной шаблоном 10101010 (для синхронизации источника и получателя). После преамбулы идет байт начального ограничителя кадра (Start of Frame Delimiter, SFD), содержащий последовательность 10101011 и указывающий на начало собственного кадра. Далее идут поля адресов получателя (Destination Address, DA) и источника (Source Address, SA). В Ethernet используют 48-битные адреса МАС-уровня IEEE.
      Следующее поле имеет разный смысл и разную длину в зависимости от типа кадра.
      Далее идет поле данных (Data). Если длинна поля кадров не достаточна для получения минимальной длины кадра, то вводятся дополнительное поле заполнения, призванное обеспечить минимальную длину кадра.
      В конце кадра идет32-битное поле контрольной суммы (Frame Check Sequence, FCS). Контрольная сумма вычисляется по алгоритму CRC-32. Размер кадра Ethernet от 64 до 1518 байт (без учета преамбулы, но с учетом поля контрольной суммы)

      Тип кадра Ethernet DIX
      Этот тип кадра - изначальный тип кадра стандарта Ethernet. После поля источника этот тип кадра содержит 16-битное поле типа (Ethertype), идентифицирующее инкапсулированный в кадре протокол верхнего уровня.

      Рис.1. Тип кадра Ethernet DIX.

      Тип кадра Raw 802.3.
      За адресом источника он содержит 16-битное поле длины (L), определяющее число байт, следующее за полем длины (без учета поля контрольной суммы). В этот тип кадра всегда вкладывается пакет протокола IPX. Первые два байта заголовка протокола IPX содержат контрольную сумму датаграммы IPX. Однако, по умолчанию это поле не используется и имеет значение 0xFFFF.

      Рис.2. Тип кадра Raw 802.3.

      Тип кадра 802.3.LLC.
      За полем адреса источника идет 16-битное поле длины, определяющее число байт, следующее за этим полем (без учета поля контрольной суммы)За ним следует заголовок LLC.

      Тип кадра Ethernet SNAP
      Кадр Ethernet SNAP является расширением кадра 802.3/ LLC за счет введения дополнительного заголовка протокола SNAP. Заголовок состоит из 3-байтового поля идентификатора организации (OUI) и 2-байтового поля типа (Type, Ethertype). Тип идентифицирует протокол верхнего уровня, а поле OUI определяет идентификатор организации, контролирующей назначение кодов типа протокола. Коды протоколов для стандартов IEEE 802 контролирует IEEE, имеющая код OUI равный 0х000000. Для этого кода OUI поле типа для Ethernet SNAP совпадает со значением типа Ethernet DIX.

      Рис.4. Тип кадра Ethernet SPAN.

    3. Сводная таблица по использованию рзных типов кадров Ethernet протоколами высших уровней.
      Тип кадра Ethernet II Ethernet Raw 802.3 Ethernet 802.3/ LLC Ethernet SNAP
      Сетевые протоколы IPX, IP, AppleTalk Phase I IPX IPX, FTAM IPX, IP, AppleTalk Phase II

      Таблица 2. Сводная таблица по использованию разных типов кадров протоколами высшего уровня.

  2. Fast Ethernet
    1. Отличие технологии Fast Ethernet от Ethernet.

      Все отличия технологии Ethernet и Fast Ethernet сосредоточенны на физическом уровне. Уровни МАС и LLC в Fast Ethernet остались абсолютно теми же.
      Организация физического уровня технологии Fast Ethernet является более сложной, поскольку в ней используются три варианта кабельных систем:

      • Волоконно-оптический многомодовый кабель(два волокна)
      • Витая пара категории 5 (две пары)
      • Витая пара категории 3 (четыре пары)

      Коаксиальный кабель в Fast Ethernet не используется. Сети Fast Ethernet на разделяемой среде подобно сетям 10Base-T/10Base-F имеет иерархическую древовидную структуру, построенную на концентраторах. Основным отличием конфигурации сетей Fast Ethernet является сокращение диаметра до 200 метров, что объясняется сокращением времени передачи кадра минимальной длины в 10 раз по сравнению с 10-мегобайтной сетью Ethernet.
      Но при использовании коммутаторов протокол Fast Ethernet может работать в дуплексном режиме, в котором нет ограничения на общую длину сети, а только на отдельные физические сегменты.
    2. Спецификация физической среды (100Base-TX, 100Base-T4, 10Base-FX).

      • 100BASE-T - Общий термин для обозначения одного из трёх стандартов 100 Мбит/с Ethernet, использующий в качестве среды передачи данных витую пару. Длина сегмента до 200-250 метров. Включает в себя 100BASE-TX, 100BASE-T4 и 100BASE-T2.
      • 100BASE-TX, IEEE 802.3u - Развитие технологии 10BASE-T, используется топология звезда, задействован кабель витая пара категории-5, в котором фактически используются 2 пары проводников, максимальная скорость передачи данных 100 Мбит/с.
      • 100BASE-T4 - 100 MБит/с Ethernet по кабелю категории-3. Задействованы все 4 пары. Сейчас практически не используется. Передача данных идёт в полудуплексном режиме.
      • 100BASE-T2 - Не используется. 100 Mбит/с Ethernet через кабель категории-3. Используется только 2 пары. Поддерживается полнодуплексный режим передачи, когда сигналы распространяются в противоположных направления по каждой паре. Скорость передачи в одном направлении - 50 Mбит/с.
      • 100BASE-FX - 100 Мбит/с Ethernet с помощью оптоволоконного кабеля. Максимальная длина сегмента 400 метров в полудуплексном режиме (для гарантированного обнаружения коллизий) или 2 километра в полнодуплексном режиме по многомодовому оптическому волокну и до 32 километров по одномодовому.
  3. Gigabit Ethernet
    1. Спецификация физичсекой среды (1000Base-SX, 1000Base-LX).

      • 1000BASE-T, IEEE 802.3ab - Стандарт Ethernet 1 Гбит/с. Используется витая пара категории 5e или категории 6. В передаче данных участвуют все 4 пары. Скорость передачи данных - 250 Мбит/с по одной паре.
      • 1000BASE-TX, - Стандарт Ethernet 1 Гбит/с, использующий только витую пару категории 6. Практически не используется.
      • 1000Base-X - общий термин для обозначения технологии Гигабит Ethernet, использующей в качестве среды передачи данных оптоволоконный кабель, включает в себя 1000BASE-SX, 1000BASE-LX и 1000BASE-CX.
      • 1000BASE-SX, IEEE 802.3z - 1 Гбит/с Ethernet технология, использует многомодовое волокно дальность прохождения сигнала без повторителя до 550 метров.
      • 1000BASE-LX, IEEE 802.3z - 1 Гбит/с Ethernet технология, использует многомодовое волокно дальность прохождения сигнала без повторителя до 550 метров. Оптимизирована для дальних расстояний, при использовании одномодового волокна (до 10 километров).
      • 1000BASE-CX - Технология Гигабит Ethernet для коротких расстояний (до 25 метров), используется специальный медный кабель (Экранированная витая пара (STP)) с волновым сопротивлением 150 Ом. Заменён стандартом 1000BASE-T, и сейчас не используется.
      • 1000BASE-LH (Long Haul) - 1 Гбит/с Ethernet технология, использует одномодовый оптический кабель, дальность прохождения сигнала без повторителя до 100 километров.
    2. Проблемы технологии Gigabit Ethernet.
      • Обеспечение приемлемого диаметра сети для работы на разделяемой среде. В связи с ограничениями, накладываемыми методом CSMA/CD на длину кабеля, версия Gigabit Ethernet для разделяемой среды допускала бы длину сегмента всего в 25 метров. Необходимо было решить эту проблему.
      • Достижение битовой скорости 1000Мбит/с на оптическом кабеле. Технология Fibre Channel, физический уровень которой был взят за основу для оптоволоконной версии Gigabit Ethernet, обеспечивает скорость передачи данных всего 800Мбит/с.
      • Использование в качестве кабеля витой пары.

      Для решения этих задач пришлось внести изменения не только в физический уровень, но и в уровень МАС.
      Для расширения максимального диаметра сети Gigabit Ethernet в полудуплексном режиме до 200 м разработчики технологии предприняли достаточно естественные меры, основывающиеся на известном соотношения времени передачи кадра минимальной длины и временем двойного оборота.
      Минимальный размер кадра был увеличен (без учета преамбулы) с 64 до 512 байт или до 4096 bt. Соответственно, время двойного оборота теперь также можно было увеличить до 4095 bt, что делает допустимым диаметр сети около 200 м при использовании одного повторителя. При двойной задержке сигнала в 10 bt/m оптоволоконные кабели длиной 100 м вносят вклад во время двойного оборота по 1000 bt, и если повторитель и сетевые адаптеры будут вносить такие же задержки, как в технологии Fast Ethernet (данные для которых приводились в предыдущем разделе), то задержка повторителя в 1000 bt и пары сетевых адаптеров в 1000 bt дадут в сумме время двойного оборота 4000 bt, что удовлетворяет условию распознавания коллизий. Для увеличения длины кадра до требуемой в новой технологии величины сетевой адаптер должен дополнить поле данных до длины 448 байт так называемый расширением (extention), представляющим собой поле, заполненное запрещенными символами кода 8В/10В, которые невозможно принять за коды данных.
      Для сокращения накладных расходов при использовании слишком длинных кадров для передачи коротких квитанций разработчики стандарта разрешили конечным узлам передавать несколько кадров подряд, без передачи среды другим станциям. Такой режим получил название Burst Mode - монопольный пакетный режим. Станция может передать подряд несколько кадров с общей длиной не более 65 536 бит или 8192 байт. Если станции нужно передать несколько небольших кадров, то она может не дополнять их до размера в 512 байт, а передавать подряд до исчерпания предела в 8192 байт (в этот предел входят все байты кадра, в том числе преамбула, заголовок, данные и контрольная сумма). Предел 8192 байт называется BurstLength. Если станция начала передавать кадр и предел BurstLength был достигнут в середине кадра, то кадр разрешается передать до конца.
      Увеличение "совмещенного" кадра до 8192 байт несколько задерживает доступ к разделяемой среде других станций, но при скорости 1000 Мбит/с эта задержка не столь существенна.

  4. Литература
    1. К.Е. Самуйлов, Д.С. Кулябов. Учебно-методическое пособие по курсу "Сети и системы телекоммуникаций".- М.: РУДН.- 2002
    2. В.Г.Олифер, Н.А.Олифер Компьютерные сети
    3. http://ru.wikipedia.org
    4. http://www.citforum.ru/

    Hosted by uCoz

    Hosted by uCoz