Технология Ethernet

Технология Ethernet была разработана в исследовательском центре компании Xerox в 70-х годах и достигла своего нынешнего лидирующего положения в 80-х. Впервые термин Ethernet был использован Робертом Меткалфом в замет­ке, написанной им в этом исследовательском центре в мае 1973 года.

Технология Ethernet стала базой спецификации IEEE 802.3, которая бы­ла опубликована в 1980 году. Вскоре после этого компании Digital Equipment (DEC), Intel и Xerox совместно разработали и приняли вторую версию специ­фикации Ethernet, совместимую с IEEE 802.3. В настоящее время термин Ether­net чаще всего используют для описания всех локальных сетей, работающих в соответствии с принципами CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection) — множественного доступа с контролем несущей и обнаружением коллизий, что соответствует спецификации Ethernet IEEE 802.3. В модели OSI протокол CSMA/CD относится к доступу к среде. На этом уровне определяется формат, в котором информация передается по сети, и способ, с помощью кото­рого сетевое устройство получает доступ к сети (или управление сетью) для передачи данных.

CSMA/CD состоит из двух частей: Carrier Sense Multiple Access и Collision Detection. Первая часть определяет, каким образом рабочая станция с сетевым адаптером «ловит» момент, когда ей следует послать сообщение. В соответствии с протоколом CSMA, рабочая станция вначале слушает сеть, чтобы определить, не передается ли в данный момент какое-либо другое сообщение. Если слышит­ся несущий сигнал (carrier tone), значит, в данный момент сеть занята другим сообщением — рабочая станция переходит в режим ожидания и находится в нем до тех пор, пока сеть не освободится. Когда в сети наступает молчание, станция начинает передачу. Вторая часть — Collision Detection — служит для разре­шения ситуаций, когда две или более рабочие станции пытаются передавать сообщения одновременно. Если две станции начнут передавать свои пакеты одновременно, передаваемые данные належатся друг на друга и ни одно из со­общений не дойдет до получателя. Такую ситуацию называют конфликтом или коллизией (сигналы одной станции перемешаются с сигналами другой). Collisi­on Detection требует, чтобы станция прослушала сеть также и после передачи пакета. Если обнаруживается конфликт, станция повторяет передачу пакета через случайным образом выбранный промежуток времени. Затем она вновь проверяет, не произошел ли конфликт. Термин «множественный доступ» под­черкивает тот факт, что все станции имеют одинаковое право на доступ к сети.

Если одна из станций обнаружит коллизию, она пошлет специальный сигнал, предупреждающий другие станции о произошедшем конфликте. При коллизии уничтожаются все данные в сети. После коллизии станции пытаются передать данные повторно. Для того чтобы предотвратить одновременную передачу, был разработан специальный механизм прерываний, который предписывает каждой станции выждать случайный промежуток времени перед повторной передачей. Станция, которой достался самый короткий период ожидания, первой получит право на очередную попытку передать данные, а остальные определят, что сеть занята и вновь будут ожидать. Единицей измерения времени ожидания является удвоенное время распространения сигнала из конца в конец отрезка кабеля, рав­ное примерно 51.2 мс. После первого конфликта каждая станция ждет 0 или 1 единицу времени, прежде чем попытается возобновить передачу. Если снова произошел конфликт, что может быть, если две станции выбрали одно и то же число, то каждая из них выбирает одно из четырех случайных чисел: 0, 1, 2, 3. Если и в третий раз произошел конфликт, случайное число выбирается из ин­тервала 0-7 и т. д. После десяти последовательных конфликтов интервал вы­бора случайных чисел фиксируется и становится равным 0-1023. После шестнадцати конфликтов контроллер отказывается от дальнейших попыток передать кадр и сообщает об этом компьютеру. Все дальнейшие действия по выходу из сложившейся ситуации осуществляются под руководством протоко­лов верхнего уровня. Такой алгоритм позволяет разрешить коллизии, когда кон­фликтующих станций немного.

Обнаружение конфликта основано на сравнении посланных сигналов и сигналов других рабочих станций. Аппаратное обеспечение станции должно во время передачи «прослушивать» кабель для определения факта коллизии. Если сигнал, который станция регистрирует, отличается от передаваемого ею, значит, произошла коллизия. Поэтому должен существовать механизм, позволяющий различать сигналы в кабеле. Этот механизм был найден — им стало манчестер­ское кодирование и дифференциальное манчестерское кодирование сигнала.

При манчестерском кодировании каждый интервал времени, в течение ко­торого происходит передача одного бита, разделяется на две половинки. Еди­ничный бит кодируется высоким напряжением в первой половине и низким напряжением во второй. Нулевой бит кодируется противоположным образом. Изменение напряжения в середине интервала облегчает принимающей стороне синхронизацию с передающей станцией.

Дифференциальное манчестерское кодирование представляет собой разно­видность обычного манчестерского кодирования. В этом случае единичный бит характеризуется отсутствием изменения напряжения (напряжения в обеих поло­винках равны). Изменение напряжения в начале бита означает, что это нулевой бит.

Недостатком схемы манчестерского кодирования является необходимость удвоения ширины полосы пропускания по сравнению с прямым кодированием. Однако вследствие своей простоты манчестерское кодирование используется в стандарте 802.3. Уровни высокого и низкого напряжения составляют +0.85 В и -0.85 В. Прямое двоичное кодирование построено на кодировании нулево­го бита нулевым напряжением (0 В) и единичного бита ненулевым напряже­нием (5 В). Сеть Ethernet относится к категории широковещательных. В таких сетях все станции видят все кадры в независимости от того, являются ли они их получателями. Каждая станция должна проверять, не ей ли предназначают­ся передаваемые данные. Полученные данные передаются на следующий уро­вень.

В технологии Ethernet данные могут передаваться по коаксиальному или оп­тическому кабелю, а также через витую пару. Чаще всего при построении ло­кальных сетей на основе этой технологии оптический кабель используется для формирования магистрали сети, в то время как витая пара применяется для подключения станций и серверов. Спецификации Ethernet были созданы в то время, когда для быстрой передачи данных требовались коаксиальные кабели. Необходимость перехода на менее дорогие телефонные кабели и попытка смяг­чить последствия разрыва коаксиального кабеля стали причинами появления спецификации 10Base-T IEEE 802.3. Эта спецификация определяет технологию Ethernet для сетей, построенных на базе неэкранированных витых пар и теле­фонных кабелей. При этом допускается звездообразная топология. Приведем основные спецификации Ethernet.

• 10Base5. Как и первая версия Ethernet, эта спецификация в качестве среды передачи предусматривает толстый коаксиальный кабель на 50 Ом с двумя оболочками. Из-за этого спецификацию называют «толстым Ethernet». Каждый коаксиальный кабель в сети образует отдельный сег­мент. Протяженность сегмента не может превышать 500 м, а число узлов не должно превосходить 100. Отрезок кабеля между соседними узлами должен быть не менее 2.5 м. Это позволяет уменьшить вероятность отра­жения и появления стоячих волн. Как правило, производители размечают кабель с целью упростить нахождение мест, где станция может быть под­ключена к сегменту. Сетевой адаптер подключается к кабелю с помощью трансиверного кабеля и трансивера. Длина трансиверного кабеля не должна превышать 50 м.

• 10Base2. Эта спецификация предусматривает использование тонкого ко­аксиального кабеля, а также соединителей типа BNC-T, которые непосред­ственно связывают сетевой адаптер и кабель Ethernet. Такая схема исключает необходимость применения дорогостоящих трансиверов и трансиверных кабелей. Кроме того, значительно упрощается выполнение самой операции по подключению сетевого адаптера к кабелю. Этот стан­дарт известен как «тонкий Ethernet». Протяженность сегмента ограничена 185 м, а число узлов — 30.

• 10BaseT. Эта разновидность Ethernet получила наибольшее распростране­ние. Буква Т в названии означает, что средой передачи является неэкра­нированная витая пара (Unshielded Twisted Pair, UTP). Спецификация предусматривает использование концентратора для подключения поль­зователей по топологии «звезда». Применение дешевых кабелей UTP является одним из основных преимуществ l0BaseT по сравнению со спе­цификациями 10Base2 и 10Base5. Подключение узлов к сети осуществ­ляется с помощью телефонных гнезд RJ-45 и RJ-11 и четырехпарного телефонного кабеля UTP. Вилка RJ-45 вставляется напрямую в сетевую плату. Протяженность отрезка кабеля от концентратора до станции не до­лжна превышать 100 м (в случае UTP категории 3) или 150 м (в случае UTP категории 5).

• 10BaseF. Эта спецификация использует в качестве среды передачи оптоволоконный кабель. Применение оптоволоконной технологии приводит к высокой стоимости комплектующих. Однако нечувствительность к электро­магнитным помехам позволяет использовать спецификацию в особо от­ветственных случаях и для связи далеко расположенных друг от друга объектов.

Каждая из разновидностей Ethernet предусматривает те или иные ограниче­ния на протяженность сегмента кабеля. Для создания более протяженной сети несколько кабелей могут соединяться с помощью повторителей. Повторитель представляет собой устройство физического уровня. Он принимает, усиливает и передает сигнал дальше. С точки зрения программного обеспечения последова­тельность кабельных сегментов, связанных повторителями, ничем не отличается от единого кабеля. Сеть может содержать несколько сегментов кабеля и несколь­ко повторителей.

Теоретическая производительность сети Ethernet составляет 10 Мбит/cек. Однако нужно учитывать, что из-за коллизий технология Ethernet никогда не сможет достичь своей максимальной производительности. При увеличении числа станций в сети временные задержки между посылками отдельных пакетов по сети возрастают, так как количество коллизий увеличивается. Поэтому реаль­ная производительность Ethernet не превышает 70 % от теоретической.

Можно проследить некоторую зависимость: в сетях с совместным доступом к среде передачи общий объем трафика растет пропорционально квадрату числа станций, в то время как объем полезного трафика увеличивается линейно. Это приводит к тому, что эффективность использования сети оказывается обратно пропорциональной числу станций. Учитывая квадратичный рост объема трафи­ка, любое быстродействие сети оказывается исчерпанным достаточно быстро.

Для снижения нагрузки на сеть ее разбивают на отдельные сегменты с по­мощью мостов, коммутаторов или маршрутизаторов. Это позволяет передавать между сегментами лишь необходимый трафик. Данные, посылаемые между двумя станциями в одном сегменте, не будут передаваться в другой и, следо­вательно, не вызовут в нем повышения нагрузки. Однако сегментация в тра­диционных сетях решает проблему, связанную с совместным доступом к среде передачи, только частично. Она позволяет сократить общий объем трафика между сегментами в число раз, примерно равное среднему количеству сегментов. Однако сегментация не устраняет саму тенденцию роста трафика. Линейный рост трафика достигается только в технологиях, ориентированных на установле­ние соединения.

Данные, передаваемые в сети Ethernet, разбиты на кадры. Напомним, что практически каждой сетевой технологии (независимо от ее уровня) соответству­ет единица передачи данных: Ethernet-кадр, АТМ-ячейка, IP-дейтаграмма и т. д. Данные по сети в чистом виде не передаются. Как правило, к единице данных «пристраивается» заголовок. В некоторых сетевых технологиях добавляется также окончание. Заголовок и окончание несут служебную информацию и со­стоят из определенных полей.

Так как существует несколько типов кадров, для того, чтобы понять друг друга, отправитель и получатель должны использовать один и тот же тип кад­ров. Кадры могут быть четырех разных форматов, несколько отличающихся друг от друга. Базовых форматов кадров (raw formats) существует всего два — Ether­net II и Ethernet 802.3. Эти форматы отличаются назначением всего одного поля.

Для успешной доставки информации получателю каждый кадр должен кроме данных содержать дополнительную служебную информацию: длину поля данных, физические адреса отправителя и получателя, тип сетевого протокола и т. д.

Большинство сетевых администраторов не уделяет должного внимания типам кадров Ethernet, а это может явиться источником проблем. Например, если кли­ентское сетевое программное обеспечение настроено на неверный тип кадра, то пользователь не сможет взаимодействовать с сервером. За типом кадра прихо­дится особенно внимательно следить в сетях Novell NetWare, так как в новых версиях этой операционной системы тип кадра по умолчанию был изменен с 802.3 на 802.2. Кроме того, в корпоративных сетях применяются устройства от нескольких поставщиков, базирующихся на разных протоколах взаимодействия и использующих различные типы кадров.

Для того чтобы рабочие станции имели возможность взаимодействовать с сервером в одном сегменте сети, они должны поддерживать единый формат кадра. Существуют четыре основных разновидности кадров Ethernet:

• Ethernet Type II

• Ethernet 802.3

• Ethernet 802.2

• Ethernet SNAP (SubNetwork Access Protocol).

Рассмотрим поля, общие для всех четырех типов кадров (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Общий формат кадров Ethernet

Поля в кадре имеют следующие значения:

• Поля «Преамбула» и «Признак начала кадра» предназначены для синх­ронизации отправителя и получателя. Преамбула представляет собой 7-байтовую последовательность единиц и нулей. Поле признака начала кадра имеет размер 1 байт. Эти поля не принимаются в расчет при вычис­лении длины кадра.

• Поле «Адрес получателя» состоит из 6 байт и содержит физический адрес устройства в сети, которому адресован данный кадр. Значения этого и следующего поля являются уникальными. Каждому производителю адаптеров Ethernet назначаются первые три байта адреса, а оставшиеся три байта определяются непосредственно самим производителем. Напри­мер, для адаптеров фирмы 3Com физические адреса будут начинаться с 0020AF. Первый бит адреса получателя имеет специальное значение. Если он равен 0, то это адрес конкретного устройства (только в этом случае первые три байта служат для идентификации производителя сетевой платы), а если 1 — широковещательный. Обычно в широковещатель­ном адресе все оставшиеся биты тоже устанавливаются равными единице (FF FF FF FF FF FF).

• Поле «Адрес отправителя» состоит из 6 байт и содержит физический адрес устройства в сети, которое отправило данный кадр. Первый бит ад­реса отправителя всегда равен нулю.

• Поле «Длина/тип» может содержать длину или тип кадра в зависимости от используемого кадра Ethernet. Если поле задает длину, она указывается в двух байтах. Если тип — то содержимое поля указывает на тип протоко­ла верхнего уровня, которому принадлежит данный кадр. Например, при использовании протокола IPX поле имеет значение 8137, а для протокола IP - 0800.

• Поле «Данные» содержит данные кадра. Чаще всего — это информация, нужная протоколам верхнего уровня. Данное поле не имеет фиксирован­ной длины.

• Поле «Контрольная сумма» содержит результат вычисления контроль­ной суммы всех полей за исключением преамбулы, признака начала кадра и самой контрольной суммы. Вычисление выполняется отправителем и добавляется в кадр. Аналогичная процедура вычисления выполняется и на устройстве получателя. В случае, если результат вычисления не совпадает со значением данного поля, предполагается, что произошла ошибка при передаче. В этом случае кадр считается испорченным и игнорируется.

Следует отметить, что минимальная допустимая длина для всех четырех типов кадров Ethernet составляет 64 байта, а максимальная — 1518 байт. Так как на служебную информацию в кадре отводится 18 байт, то поле «Данные» может иметь длину от 46 до 1500 байт. Если передаваемые по сети данные мень­ше допустимой минимальной длины, кадр будет автоматически дополняться до 46 байт. Столь жесткие ограничения на минимальную длину кадра введены для обеспечения нормальной работы механизма обнаружения коллизий.

Рассмотрим более подробно форматы кадров разных типов. Тип кадра Ether­net II используется многими протоколами верхнего уровня, такими как TCP/IP, IPX и AppleTalk. Данный тип кадра был разработан фирмами DEC, Intel и Xerox. Необходимо учитывать, что хотя данный тип кадра является наиболее широко используемым, он не одобрен организациями IEEE и ISO. Формат дан­ного типа кадра отличается от рассмотренного выше только тем, что в поле «Длина/тип» всегда указывается тип протокола.

Сетевые операционные системы Novell NetWare 2.х и З.х (за исключением 3.12) по умолчанию используют кадры Ethernet 802.3. Хотя в названии этого типа кадра есть упоминание комитета IEEE, последний не имел никакого отно­шения к его разработке.

Данный тип кадра не содержит никакой информации о протоколе. Поле «Длина/тип» всегда указывает длину кадра. В результате нет стандартных мето­дов идентификации сетевого протокола, которому принадлежит данный кадр. Однако в соответствии с концепцией фирмы Novell, только протокол IPX может использоваться с данным типом кадров. Разработана специальная последова­тельность действий для определения того, что именно протокол IPX был инкап­сулирован в кадр данного типа.

1. Проверяется поле «Длина/тип». Если оно содержит значение между 0 и 1518 (05ЕЕ), то данное поле определяет длину кадра, а не тип протокола (то есть это кадр 802.3, в противном случае — кадр Ethernet II).

2. Проверяются следующие два байта за полем «Длина/тип». Если они со­держат FFFF, это означает, что кадр принадлежит протоколу IPX, так как заголовок этого протокола всегда начинается с FFFF.

В результате стандартизации сетей Ethernet подкомитетом IEEE 802.3 по­явился кадр Ethernet 802.2. Этот кадр является базовым для операционных сис­тем Novell Netware версий 3.12 и 4-х. В данном типе кадра сразу за адресом отправителя следует поле длины, имеющее такое же назначение. Кроме того, этот тип кадра содержит несколько дополнительных полей, рекомендованных подкомитетом IEEE 802.3 Эти поля располагаются за полем «Длина/тип» и имеют следующее назначение:

• Поле «DSAP» указывает на используемый получателем протокол сетево­го уровня. Размер поля составляет 1 байт (один бит в нем зарезервиро­ван). Для протокола IPX значение поля равно Е0, для протоколов IP — 06, для NetBIOS – F0.

• Поле «SSAP» указывает на используемый отправителем протокол сетево­го уровня. Размер данного поля составляет 1 байт (один бит зарезервиро­ван). Обычно значение данного поля совпадает со значением поля DSAP.

• Поле «Контроль» указывает на тип сервиса, требуемый для сетевого про­токола. Размер данного поля составляет 1 байт. Сетевая операционная система Novell NetWare устанавливает значение данного поля в 03.

Формат кадра Ethernet 802.2 имеет некоторые недостатки, в частности он содержит нечетное число байтов служебной информации. Это не совсем удобно для работы большинства сетевых устройств. Кроме того, для идентификации протокола сетевого уровня отводится 7 бит, что позволяет поддерживать «всего» 128 различных протоколов. Кадр Ethernet SNAP, являющийся дальнейшим раз­витием Ethernet 802.2, содержит следующие дополнительные поля (рис. 1.6):

• Поле «Код организации» имеет длину три байта и указывает на код ор­ганизации (фирмы), которая присвоила значения поля «Идентификатор протокола». Если значение поля равно 000000 (а это так практически всегда, за исключением сетей AplleTalk), то поле «Идентификатор прото­кола» содержит значение, которое обычно помещается в поле «Длина/ тип», то есть идентификатор протокола верхнего уровня.

• Поле «Идентификатор протокола» имеет длину два байта и идентифи­цирует протокол верхнего уровня, инкапсулированный в поле «Данные» кадра. При использовании протокола IPX это поле содержит значение 8137.

В совокупности эти два поля составляют дополнительное пятибайтовое поле для идентификации протокола. Это было сделано для увеличения числа поддер­живаемых протоколов.

Рис.1.6. Формат кадра Ethernet SNAP

Нужно отметить, что сетевой протокол IPX может использовать любой из рассмотренных выше четырех типов кадров, чего нельзя сказать об остальных сетевых протоколах. В таблице 1.3. приводятся протоколы, которые могут быть использованы с тем или иным типом кадра.

Таблица 1.3. Совместимость кадров Ethernet с протоколами верхних уровней

На рис.1.7 приведен алгоритм идентификации типа кадра сетевым оборудованием.