Стандарты и интерфейсы Ethernet

• Tutorial

• Что такое домен коллизий?
• Сколько пар используется для Ethernet и почему?
• По каким парам идет прием, а по каким передача?
• Что ограничивает длину сегмента сети?
• Почему кадр не может быть меньше определенной величины?

Если не знаешь ответов на эти вопросы, а читать стандарты и серьезную литературу по теме лень - прошу под кат.

Кто-то считает, что это очевидные вещи, другие скажут, что скучная и ненужная теория. Тем не менее на собеседованиях периодически можно услышать подобные вопросы. Мое мнение: о том, о чем ниже пойдет речь, нужно знать всем, кому приходится брать в руки «обжимку» 8P8C (этот разъем обычно ошибочно называют RJ-45). На академическую глубину не претендую, воздержусь от формул и таблиц, так же за бортом оставим линейное кодирование. Речь пойдет в основном о медных проводах, не об оптике, т.к. они шире распространены в быту.

Технология Ethernet описывает сразу два нижних уровня модели OSI . Физический и канальный. Дальше будем говорить только о физическом, т.е. о том, как передаются биты между двумя соседними устройствами.

Технология Ethernet - часть богатого наследия исследовательского центра Xerox PARC . Ранние версии Ethernet использовали в качестве среды передачи коаксиальный кабель, но со временем он был полностью вытеснен оптоволокном и витой парой. Однако важно понимать, что применение коаксиального кабеля во многом определило принципы работы Ethernet. Дело в том, что коаксиальный кабель - разделяемая среда передачи. Важная особенность разделяемой среды: ее могут использовать одновременно несколько интерфейсов, но передавать в каждый момент времени должен только один. С помощью коаксиального кабеля можно соединит не только 2 компьютера между собой, но и более двух, без применения активного оборудования. Такая топология называется шина . Однако если хотябы два узла на одной шине начнут одновременно передавать информацию, то их сигналы наложатся друг на друга и приемники других узлов ничего не разберут. Такая ситуация называется коллизией , а часть сети, узлы в которой конкурируют за общую среду передачи - доменом коллизий . Для того чтоб распознать коллизию, передающий узел постоянно наблюдает за сигналов в среде и если собственный передаваемый сигнал отличается от наблюдаемого - фиксируется коллизия. В этом случае все узлы перестают передавать и возобновляют передачу через случайный промежуток времени.

Диаметр коллизионного домена и минимальный размер кадра

Теперь давайте представим, что будет, если в сети, изображенной на рисунке, узлы A и С одновременно начнут передачу, но успеют ее закончить раньше, чем примут сигнал друг друга. Это возможно, при достаточно коротком передаваемом сообщении и достаточно длинном кабеле, ведь как нам известно из школьной программы, скорость распространения любых сигналов в лучшем случае составляет C=3*10 8 м/с. Т.к. каждый из передающих узлов примет встречный сигнал только после того, как уже закончит передавать свое сообщение - факт того, что произошла коллизия не будет установлен ни одним из них, а значит повторной передачи кадров не будет. Зато узел B на входе получит сумму сигналов и не сможет корректно принять ни один из них. Для того, чтоб такой ситуации не произошло необходимо ограничить размер домена коллизий и минимальный размер кадра. Не трудно догадаться, что эти величины прямо пропорциональны друг другу. В случае же если объем передаваемой информации не дотягивает до минимального кадра, то его увеличивают за счет специального поля pad, название которого можно перевести как заполнитель.

Таким образом чем больше потенциальный размер сегмента сети, тем больше накладных расходов уходит на передачу порций данных маленького размера. Разработчикам технологии Ethernet пришлось искать золотую середину между двумя этими параметрами, и минимальным размером кадра была установлена величина 64 байта.

Витая пара и дуплексный режим рабты

Возникает вопрос: откуда берется ограничение на длину сегмента у Ethernet по витой паре, если нет разделяемой среды? Всё дело в том, первые сети построенные на витой паре использовали концентраторы. Концентратор (иначе говоря многовходовый повторитель) - устройство имеющее несколько портов Ethernet и транслирующее полученный пакет во все порты кроме того, с которого этот пакет пришел. Таким образом если концентратор начинал принимать сигналы сразу с двух портов, то он не знал, что транслировать в остальные порты, это была коллизия. То же касалось и первых Ethernet-сетей использующих оптику (10Base-FL).

Зачем же тогда использовать 4х-парный кабель, если из 4х пар используются только две? Резонный вопрос, и вот несколько причин для того, чтобы делать это:

• 4х-парный кабель механически более надежен чем 2х-парный.
• 4х-парный кабель не придется менять при переходе на Gigabit Ethernet или 100BaseT4, использующие уже все 4 пары
• Если перебита одна пара, можно вместо нее использовать свободную и не перекладывать кабель
• Возможность использовать технологию Power over ethernet

Не смотря на это на практике часто используют 2х-парный кабель, подключают сразу 2 компьютера по одному 4х-парному, либо используют свободные пары для подключения телефона.

Gigabit Ethernet

В отличии от своих предшественников Gigabit Ethernet всегда использует для передачи одновременно все 4 пары. Причем сразу в двух направлениях. Кроме того информация кодируется не двумя уровнями как обычно (0 и 1), а четырьмя (00,01,10,11). Т.е. уровень напряжения в каждый конкретный момент кодирует не один, а сразу два бита. Это сделано для того, чтоб снизить частоту модуляции с 250 МГц до 125 МГц. Кроме того добавлен пятый уровень, для создания избыточности кода. Он делает возможной коррекцию ошибок на приеме. Такой вид кодирования называется пятиуровневым импульсно-амплитудным кодированием (PAM-5). Кроме того, для того, чтоб использовать все пары одновременно для приема и передачи сетевой адаптер вычитает из общего сигнала собственный переданный сигнал, чтоб получить сигнал переданный другой стороной. Таким образом реализуется полнодуплексный режим по одному каналу.

Дальше - больше

10 Gigabit Ethernet уже во всю используется провайдерами, но в SOHO сегменте не применяется, т.к. судя по всему там вполне хватает Gigabit Ethernet. 10GBE качестве среды распространения использует одно- и многомодовое волокно, с или без уплотнением по длине волны , медные кабели с разъемом InfiniBand а так же витую пару в стандарте 10GBASE-T или IEEE 802.3an-2006.

40-гигабитный Ethernet (или 40GbE ) и 100-гигабитный Ethernet (или 100GbE ). Разработка этих стандартов была закончена в июле 2010 года. В настоящий момент ведущие производители сетевого оборудования, такие как Cisco, Juniper Networks и Huawei уже заняты разработкой и выпуском первых маршрутизаторов поддерживающих эти технологии. Добавить метки

Интерфейсы локальных сетей в ПК обеспечивают сетевые адаптеры , или сетевые интерфейсные карты (Network Interface Card, NIC). Адаптеры имеют передающую и принимающую части, которые в случае поддержки полного дуплекса должны быть независимы друг от друга. Задача передающей части: по получении со стороны центрального процессора (ЦП) блока данных и адреса назначения для передачи получить доступ к среде передачи, сформировать и передать кадр (добавить преамбулу, CRC-код), делая повторные попытки в случае обнаружения коллизий, адаптер должен сообщить процессору об успехе или невозможности передачи, Приемная часть, просматривая заголовки всех кадров, проходящих в линии, «выуживает» из этого потока кадры, адресованные данному узлу уникальным, широковещательным или групповым способом. Адаптер можно программно настроить на «неразборчивый» режим (promiscuous mode), в котором он будет принимать все кадры без разбора. Кадры принимаются в буфер и проверяются на отсутствие ошибок (длина кадра, корректность CRC). О приеме корректных кадров уведомляется центральный процессор и организуется передача кадра из локального буфера адаптера в системную память компьютера. Ошибочные кадры, как правило, игнорируются, хотя адаптер может собирать статистику их появления. На практике попадаются и адаптеры, не обнаруживающие ошибок в поврежденных кадрах. Диагностика сети с таким адаптером непроста.
Сетевые адаптеры для PC выпускаются для шин ISA, EISA, MCA, VLB, PCI, PC Card. Существуют адаптеры, подключаемые к стандартному LPT-порту PC; их преимущество - отсутствие потребностей в системных ресурсах (порты, прерывания и т. п.) и легкость подключения (без вскрытия компьютеров), недостаток - при обмене они значительно загружают процессор и не обеспечивают высокой скорости передачи («потолок» - 10 Мбит/с). Есть адаптеры и для шины USB. Сетевые адаптеры интегрируются и в некоторые модели системных плат.
Эффективная скорость обмена данными по сети очень сильно зависит от архитектуры сетевых адаптеров и, при прочих равных условиях, от скорости передачи данных между локальной памятью адаптера и системной памятью компьютера, а также от возможности параллельного выполнения нескольких операций. В качестве «средств доставки» используются каналы прямого доступа к памяти (DMA), программный ввод-вывод (РIO), прямое управление шиной. Стандартные 8-битные каналы прямого доступа шины ISA способны развивать скорость до 2 Мбайт/с, 16-битные - до 4 Мбайт/с. Кадр максимальной длины (1514 байт) они передают примерно за 1,3 или 2,6 мс соответственно. По сравнению с 12 мс, требуемыми для передачи кадра в среде Ethernet, это время относительно невелико. Однако для Fast Ethernet, где тот же кадр в среде передается за 1,2 мс, такая транспортировка оказывается слишком медленной. Более высокую скорость обмена с буфером адаптера обеспечивает режим программного ввода-вывода (PIO), но он полностью загружает центральный процессор на время передачи. Более эффективны интеллектуальные адаптеры с прямым управлением шиной (bus mastering) ISA/ EISA, сочетающие относительно высокую скорость (до 8 Мбайт/с ISA 16 бит и до 33 Мбайт/с EISA). Однако для скорости 100 Мбит/с производительности шины ISA уже недостаточно. На сегодняшний день широко применяются адаптеры шины PCI, где для 32-разрядного интерфейса при частоте 33 МГц пропускная способность достигает 132 Мбайт/с. Но для технологии Gigabit Ethernet и этого только-только хватает, правда, у PCI есть резервы: переход на частоту 66 МГц и разрядность 64 бит, что позволяют далеко не все системные платы. Особенно эффективны активные адаптеры, имеющие собственный процессор, для шины PCL Они выполняют передачи на полной скорости PCI, практически не загружая центральный процессор. Это свойство особенно важно для серверов. Параллельное выполнение операций подразумевает поддержку полного дуплекса - полную независимость принимающей и передающей частей, а также возможность одновременного выполнения приема кадра в буфер, передачи другого кадра и обмена данными между буферной памятью адаптера и системной памятью компьютера. На производительность адаптера для ISA/EISA влияет и объем буферной памяти: при ограниченной (по сравнению со скоростью в линии) пропускной способности шины применяют буферную память объемом до 64 Кбайт, которую делят между передатчиком и приемником либо поровну, либо с преимуществом для передатчика. Для шины PCI при эффективных средствах доставки (интеллектуальное прямое управление шиной) для скорости 100 Мбит/с большой буфер не нужен - достаточно по 2 Кбайт на приемник и передатчик. Однако адаптеры Gigabit Ethernet опять снабжают буфером значительного размера (256 Кбайт).
Адаптеры можно разделить на две группы - адаптеры для рабочих станций и адаптеры для серверов. Деление условно - адаптеры для рабочих станций могут иметь черты, относящиеся к серверным. Использовать простые карты в серверах не стоит - они могут стать узким местом сети и «пожирателями» ресурсов ЦП.
Адаптеры для рабочих станций проще и дешевле - для них не требуется (пока?) скорости выше 100 Мбит/с, полный дуплекс встречается редко, к использованию процессорного времени особо жестких требований не предъявляют. Долгие годы широко применяются адаптеры, программно совместимые с картами NE2000 - 16-битными неинтеллектуальными картами для шины ISA разработки Novell-Eagle. Совместимость с этой моделью имеют и ряд карт для шины PCI. Наиболее удобны и популярны двухскоростные карты 10/100 Мбит/с - для их подключения в современных сетях легко найти оптимальное место. Карты обычно имеют колодку для установки Boot ROM, современные модели часто обеспечивают возможность «пробуждения» по сети (remote wake up), поддерживают интерфейс DMI и ACPI. Для этого они имеют специальный дополнительный 3-проводный интерфейс - кабель с коннектором, подключаемый к системной плате. По этому кабелю системная плата с питанием в стандарте АТХ подает дежурное напряжение (линия +5VSB), даже когда основное питание на системную плату и все устройства не подается. От этой линии питается «дежурная» принимающая схема, которая настроена на прием кадра специфического формата (Magic Packet) no сетевому интерфейсу. По приему этого кадра сетевой адаптер через кабель подает пробуждающий сигнал РМЕ на системную плату, которая дает сигнал на включение блока питания; компьютер включается и загружается ОС с поддержкой DMI. Теперь администратор может выполнить все запланированные действия, а по окончании ОС на компьютере, завершая свою работу, выключает питание.
Адаптеры для серверов должны иметь высокопроизводительную шину - сейчас используют PCI 32/64 бит 33/66 МГц, раньше в серверах часто применяли шину EISA или МСА. Для серверных карт критична загрузка ЦП при обмене данными, поэтому эти карты наделяют интеллектом для прямого управления шиной и параллельной работы узлов адаптера. Полнодуплексные адаптеры должны поддерживать управление потоком по 802.3х. Ряд совершенных моделей поддерживают приоритизацию трафика по 802. 1р, фильтрацию многоадресного трафика, поддержку ВЛС с маркированными кадрами (tagged VLAN), Fast IP, аппаратный подсчет контрольных сумм IP-пакетов. Поддержка ВЛС позволяет серверу, подключенному одной линией к коммутатору, быть членом нескольких ВЛС, определенных на всей локальной сети. Для повышения надежности серверные карты могут поддерживать резервирование линий (Resilient Link) - резервный адаптер и линия связи заменяют основной канал в случае его отказа. При этом резервному адаптеру присваивается МАС-адрес основного, чтобы сеть «не заметила» подмены. Резервирование линий должно поддерживаться программными драйверами, чтобы замена происходила прозрачно и для серверных приложений. «Самоизлечивающиеся» драйверы (Self-Healing Drivers) в случае обнаружения проблем функционирования («зависании») могут автоматически выполнить сброс и повторную инициализацию адаптера. Удаленная загрузка и пробуждение по сети серверам, как правило, не требуется. Адаптеры (совместно с драйверами) могут поддерживать SNMP и RMON. Для серверов выпускаются и многопортовые (как правило, на 4 порта) адаптеры, конфигурируемые как для раздельного независимого использования, так и для резервирования друг друга. Такие карты позволяют экономить слоты PCI (для шины EISA проблема экономии слотов не была острой). Типовая скорость для серверных карт на сегодняшний день - 100 Мбит/с, производительность Gigabit Ethernet может быть востребована лишь очень мощными серверами.
Адаптер может иметь один или несколько интерфейсных разъемов:
* BNC - коаксиальный разъем для подключения к сегменту сети 10Base2;
* AUI - розетка DB-15 для подключения внешних адаптеров (трансиверов) 10BaseS, 10Base2, 10BaseT, 10BaseF, FOIRL;
* RJ-45 - 8-контактное гнездо для подключения кабелем «витая пара» к концентратору (хабу или коммутатору) 10BaseT, 100BaseTX и/или 100BaseT4;
* SC (пара, иногда ST - оптические разъемы для подключения к концентраторам 100BaseFX, 1000BaseSX, 1000BaseLX.
Для 10-мегабитных адаптеров характерны сочетания BNC+AUI или RJ-45+AUI, наиболее универсальные «Combo» имеют полный 10-мегабитный набор BNC/AUI/ RJ 45. Первые модели карт на 10 и 100 Мбит/с имели пару разъемов RJ-45 - каждый для своей скорости. При наличии нескольких разных разъемов (например, BNC и RJ-45) одновременно они не используются - адаптер не может работать в качестве повторителя. Большинство современных адаптеров имеют один разъем RJ-45 и поддерживают два стандарта - 10BaseT и 100BaseTX. Многопортовые серверные карты имеют несколько независимых адаптеров, каждый со своим интерфейсом.
Интерфейсные карты потребляют системные ресурсы компьютера.
* Пространство ввода-вывода - как правило, 4-32 смежных адреса из области, адресуемой 10-битным (для шины ISA) или 16-битным (EISA, PCI) адресом. Используется для обращения к регистрам адаптера при инициализации, текущем управлении, опросе состояния и передаче данных.
* Запрос прерывания - одна линия (IRQ3, 5, 7, 9, 10, 11, 12 или 15), возбуждаемая по приему кадра, адресованного данному узлу, а также по окончании передачи кадра (успешной или безуспешной из-за коллизий). Без прерываний сетевые карты работать не могут, при некорректном назначении обращения к сети «зависают».
* Канал прямого доступа к памяти (DMA) используется в некоторых картах ISA/EISA; для прямого управления (bus mastering) шины ISA пригодны только 16-битные каналы 5-7.
* Разделяемая память (adapter RAM) адаптера - буфер для передаваемых и принимаемых кадров - для карт ISA обычно приписывается к области верхней памяти (UMA), лежащей в диапазоне Ah-Fh. Карты PCI могут располагаться в любом месте адресного пространства, не занятого оперативной памятью компьютера. Разделяемую память используют не все модели карт.
* Постоянная память (adapter ROM) - область адресов для модулей расширения ROM BIOS, 4/8/16/32 Кбайт в диапазоне CDFh. Используется для установки ПЗУ удаленной загрузки (Boot ROM) и антивирусной защиты.
Под конфигурированием адаптера подразумевается настройка на использование системных ресурсов PC и выбор среды передачи. Конфигурирование, в зависимости от модели карты, может осуществляться разными способами.
* С помощью переключателей (джамперов), установленных на карте. Используется на адаптерах первых поколений шины ISA. Для выбора каждого ресурса, а также среды передачи имеется свой блок джамперов.
* С помощью энергонезависимой памяти конфигурации (NVRAM, EEPROM), установленной на карте с шиной ISA. Эти карты не имеют джамперов (jumperless), но конфигурируются вручную. Для конфигурирования требуется специальная утилита, специфическая для конкретной модели (семейства) карт.
* С помощью энергонезависимой памяти конфигурации, установленной на карте с шиной EISA или МСА, и системной памяти конфигурирования устройств (ESCD для EISA). Конфигурирование ресурсов осуществляется пользователем с помощью системной утилиты ECU (EISA Configuration Utility) для шины EISA.
* Автоматическое - РnР для шин ISA и PCI. Распределение ресурсов осуществляется на этапе загрузки ОС.
Выбор среды и скорости передачи может быть ручным (программным) или автоматическим. В ряде случаев имеет смысл делать явные назначения, чтобы избегать сюрпризов излишней автоматизации. Эти сюрпризы, как правило, порождаются недостаточной согласованностью адаптеров и их драйверов. При этом драйвер не может правильно распознать установленный режим и воспользоваться его преимуществами. Автоматическая настройка вносит дополнительные задержки в процесс инициализации (при загрузке) и не со всяким сетевым оборудованием работает корректно. Для некоторых моделей карт с интерфейсом 10Base2 (BNC-разъем) предлагается расширенный режим, увеличивающий дальность связи до 305 м против штатных 185. При необходимости длинных сегментов этим режимом можно воспользоваться, но при условии, что он имеется и включен во всех картах данного сегмента. В утилитах конфигурирования могут предлагаться и дополнительные настройки - оптимизация для клиента или сервера, поддержка модема и некоторые другие. Их установка должна соответствовать конкретному применению.

Что такое Ethernet

Ethernet – это наиболее распространённая технология организации локальных сетей. Стандарты Ethernet описывают реализацию двух первых уровней модели OSI – проводные соединения и электрические сигналы (физический уровень), а так же форматы блоков данных и протоколы управления доступом к сети (канальный уровень). Начнём с идеи, лежащей в основе Ethernet. Название Ethernet произошло от двух английских слов – ether (эфир) и net (сеть). Ethernet использует концепцию общего эфира. Каждый ПК посылает данные в этот эфир и указывает, кому они адресованы. Данные могут дойти до всех ПК сети, но обрабатывает их только тот ПК, которому они предназначены. Остальные ПК чужие данные игнорируют. Такая работа аналогична эфиру радиостанций. Все радиостанции транслируют свои передачи в общее электромагнитное поле – радиоэфир. Ваш радиоприёмник получает электромагнитные сигналы всех станций. Но слушаете вы не всё сразу, а ту станцию, которая вам нужна.

История Ethernet

Ethernet был разработан в 70-х годах XX века в Xerox PARC (Xerox Palo Alto Research Center) – научно-исследовательском центре Xerox. Может показаться неожиданным, что ведущую сетевую технологию разработала компания по производству копировальной техники. Тем не менее, в Xerox PARC в 70-е годы были разработаны: лазерный принтер, концепция ноутбука, графический интерфейс (1973 год, за 12 лет до выхода Windows 1.0), принцип WYSIWYG и многое другое. Однако руководство Xerox проявляло интерес только к разработкам в области печати/сканирования/копирования. Поэтому сейчас многие изобретения Xerox PARC ассоциируются с совсем другими именами. Так что помните – изобретение классной вещи само по себе ничего не гарантирует. Убедить остальных в том, что она классная, и запустить её на рынок – не менее сложные задачи.

Вернёмся к сетям. В начале 80-х годов Ethernet проходит стандартизацию. Появляется группа стандартов IEEE 802.3, описывающая Ethernet и по сей день. Тут опять надо сделать лирическое отступление и поговорить немного про стандартизацию. Сейчас в мире существует много организаций, принимающих стандарты. Например, наш Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации выпускает государственные стандарты (ГОСТы). Название организации обычно отображается в названии стандарта. Так, упомянутую группу стандартов IEEE 802.3 разработал и принял IEEE – Институт инженеров по электротехнике и электронике (Institute of Electrical and Electronics Engineers). Силы закона стандарты сейчас не имеют, применять их или нет – личное дело каждого. Но, если стандарт принят авторитетной организацией (IEEE – очень авторитетная организация), и его уже поддержали ведущие производители (за спиной первых стандартов Ethernet стояли DEC, Intel и Xerox), то лучше стандарта придерживаться. Иначе оборудование будет не совместимо с упомянутыми организациями, и его никто не купит.

Стандарт, который разработали DEC, Intel и Xerox, реализовывал общий эфир в прямом смысле слова. Все компьютеры сети подключались к общему коаксиальному кабелю. Коаксиальный кабель (coaxial, от co - совместно и axis - ось, то есть «соосный») – это кабель из пары проводников – центрального провода и окружающего его металлического цилиндра – экрана. Промежуток между проводом и экраном заполнен изоляцией, снаружи кабель так же покрыт изолирующей оболочкой. Такой кабель используется, например, в телевизионных антеннах.

В ранних сетях Ethernet коаксиальный кабель являлся носителем общего электромагнитного эфира. ПК подключались к общему кабелю с помощью специальных коннекторов. Такая структура соединения называется шинной, а сам общий кабель называют «шина».

Каждый ПК отправлял в шину электрические сигналы, все остальные ПК их получали. Дальше ПК должен был определить, кому реально этот сигнал адресован, и, соответственно, свои сигналы обработать, а чужие – проигнорировать. Несмотря на то, что Ethernet на коаксиальном кабеле уже давно не используется, механизм адресации данных и концепция общего эфира сохранились без изменений.

MAC-адреса

Рассмотрим подробнее, как на канальном уровне Ethernet данные из общего эфира распределяются по адресатам. Начнём, собственно, с адресации. На канальном уровне обмен данными идёт между сетевыми интерфейсами (network interface), то есть теми компонентами оборудования, которые физически соединены с сетью. Как правило, одно устройство имеет один сетевой интерфейс, то есть одно физическое соединение. Однако бывают и устройства с несколькими интерфейсам, например, в ПК можно поставить несколько сетевых контроллеров (network interface controller, NIC) и каждый подсоединить к сети. Поэтому в общем случае не следует путать устройства и их сетевые интерфейсы.

Все интерфейсы в пределах сети имеют собственные уникальные идентификаторы – MAC-адреса (Media Access Control address, адрес управления доступом к носителю данных). В сетях Ethernet используются 48-битные MAC-адреса. Их принято записывать в 16-ричной форме, разделяя байты знаком: или -. Например, 00-18-F3-05-19-4F.

Как правило, производитель раз и навсегда записывает MAC-адрес в оборудование при его изготовлении, и поменять MAC-адрес нельзя. Уникальность адресов достигается следующим образом. Первые 3 байта адреса обозначают производителя устройства и называются уникальным идентификатором организации (Organizationally Unique Identifier, OUI). Назначаются они не произвольно, их выдаёт IEEE. Любая организация, решившая производить сетевые интерфейсы, регистрируется в IEEE и получает свой идентификатор, уникальность которого гарантирует IEEE. Список уже розданных идентификаторов можно просмотреть на сайте IEEE . Последние 3 байта MAC-адреса производитель назначает сам и за их уникальностью следит тоже сам. Таким образом, при соблюдении производителями стандартов, ни у каких двух сетевых интерфейсов в мире MAC-адреса не совпадают. Ключевое слово – при соблюдении стандартов. Технически возможно изготовить интерфейс с произвольным MAC-адресом. Однако ни к чему хорошему это не приведёт.

Как не трудно догадаться, MAC-адреса нужны не сами по себе. MAC-адреса позволяют указать, кому именно предназначены данные, отправленные в общий эфир. Реализовано это следующим образом.

Данные в эфир передаются не однородным потоком, а блоками. Блоки эти на канальном уровне принято называть кадрами (frame). Каждый кадр состоит из служебных и полезных данных. Служебные данные – это заголовок, в котором указаны MAC-адрес отправителя, MAC-адрес назначения, тип вышестоящего протокола и тому подобное, а так же контрольная сумма в конце кадра. В середине кадра идут полезные данные – собственно то, что передаётся по Ethernet.

Контрольная сумма позволяет проверить целостность кадра. Сумму считает отправитель и записывает в конец кадра. Получатель вновь считает сумму и сравнивает её с той, что записана в кадре. Если суммы совпали, то, скорее всего, данные в кадре при передаче не повредились. Если же сумма не совпала, то данные точно повредились. Понять по контрольной сумме, какая именно часть кадра повреждена, невозможно. Поэтому в случае несовпадения суммы весь кадр считается ошибочным. Это примерно как если бы мы что-нибудь, на пример уголь, перевозили по аварийной железной дороге. Сначала мы бы загрузили уголь в вагоны. Вагоны имеют собственный вес, бесполезный для нас, но без вагонов по железной дороге перемещаться нельзя. Каждый вагон либо успешно целиком доедет в пункт назначения, либо попадёт в аварию и не доедет. Не бывает так, чтобы полвагона доехало, а полвагона осталось на разбитых путях.

Если кадр пришёл с ошибкой, его необходимо передать заново. Чем больше размер кадра, тем больше данных придётся передавать повторно при каждой ошибке. Плюс, пока интерфейс передаёт один большой кадр, остальные кадры вынуждены ждать в очереди. Поэтому передавать очень большие кадры не выгодно, и длинные потоки данных делятся на части между кадрами. С другой стороны, делать кадры короткими тоже не выгодно. В коротких кадрах почти весь объём будут занимать служебные данные, а полезных данных будет передано мало. Это характерно не только для Ethernet, но для многих других протоколов передачи данных. Поэтому для каждого стандарта существует свой оптимальный размер кадра, зависящий от скорости и надёжности сети. Максимальный размер полезной информации, передаваемой в одном блоке, называется MTU (maximum transmission unit). Для Ethernet он равен 1500 байт. То есть каждый Ethernet-кадр может нести не более 1500 байт полезных данных.

MAC-адреса и кадры позволяют разделить данные в общем Ethernet-эфире. Интерфейс обрабатывает только те кадры, MAC-адрес назначения которых совпадает с его собственным MAC-адресом. Кадры, адресованные другим получателям, интерфейс должен игнорировать. Достоинство такого подхода – простота реализации. Но есть и масса недостатков. Во-первых, проблемы безопасности. Любой может прослушать все данные, транслируемые в общий эфир. Во-вторых, эфир можно заполнить помехами. На практике, одна сбойная сетевая карта, постоянно отсылающая какие-то кадры, может повесить всю сеть предприятия. В-третьих, плохая масштабируемость. Чем больше компьютеров в сети, тем меньший кусочек эфира им достаётся, тем меньше эффективная пропускная способность сети.

Концепция эфира, MAC-адреса и Ethernet-кадры реализуют второй (канальный) уровень модели OSI. Этот уровень не претерпел изменений со времён первых стандартов Ethernet. Однако физический уровень сети Ethernet изменился радикально.

Архитектура стандарта Fast Ethernet

MII интерфейс и трансиверы Fast Ethernet

Физические интерфейсы Fast Ethernet

Типы устройств Fast Ethernet

Отметим главные особенности эволюционного развития от сетей Ethernet к сетям Fast Ethernet, стандарт IEEE 802.3u:

десятикратное увеличение пропускной способности сегментов сети;

сохранение метода случайного доступа CSMA/CD, принятого в Ethernet;

Архитектура стандарта Fast Ethernet

На рис.1 показана структура уровней Fast Ethernet. Еще на стадии разработки стандарта 100Base-T комитет IEEE 802.3u определил, что не существует универсальной схемы кодирования сигнала, которая была бы идеальной для всех трех физических интерфейсов (TX, FX, T4). Если сравнивать со стандартом Ethernet, то там функцию кодирования (манчестерский код) выполняет уровень физической сигнализации PLS (рис.1), который находится выше среданезависимого интерфейса AUI. В стандарт Fast Ethernet функции кодирования выполняет подуровень кодирования PCS, размещенный ниже среданезависимого интерфейса MII. В результате этого, каждый трансивер должен использовать свой собственный набор схем кодирования, наилучшим образом подходящий для соответствующего физического интерфейса, например набор 4B/5B и NRZI для интерфейса 100Base-FX.

2. Mii интерфейс и трансиверы Fast Ethernet

Интерфейс MII (medium independent interface) в стандарте Fast Ethernet является аналогом интерфейса AUI в стандарте Ethernet. MII интерфейс обеспечивает связь между подуровнями согласования и физического кодирования. Основное его назначение - упростить использование разных типов среды. MII интерфейс предполагает дальнейшее подключение трансивера Fast Ethernet. Для связи используется 40 контактный разъем. Максимальное расстояние по MII интерфейсному кабелю не должно превышать 0,5 м.

Если устройство имеет стандартные физические интерфейсы (например, RJ-45), то структура подуровней физического уровня может быть скрыта внутри микросхемы с большой интеграцией логики. Кроме того допустимы отклонения в протоколах промежуточных подуровней в едином устройстве, ставящие главной целью рост быстродействия.

3. Физические интерфейсы Fast Ethernet

Стандартом Fast Ethernet IEEE 802.3u установлены три типа физического интерфейса (рис.2, табл.1): 100Base-FX, 100Base-TX и 100Base-T4.

100Base-FX Стандарт этого волоконно-оптического интерфейса полностью идентичен стандарту FDDI PMD, который подробно рассмотрен в главе 6. Основным оптическим разъемом стандарта 100Base-FX является Duplex SC. Интерфейс допускает дуплексный канал связи.

100Base-TX Стандарт этого физического интерфейса предполагает использование неэкранированной витой пары категории не ниже 5. Он полностью идентичен стандарту FDDI UTP PMD, который также подробно рассмотрен в главе 6. Физический порт RJ-45 как и в стандарте 10Base-T может быть двух типов: MDI (сетевые карты, рабочие станции) и MDI-X (повторителе Fast Ethernet, коммутаторы). Порт MDI в единичном количестве может иметься на повторителе Fast Ethernet. Для передачи по медному кабелю используются пары 1 и 3. Пары 2 и 4 - свободны. Порт RJ-45 на сетевой карте и на коммутаторе может поддерживать на ряду с режимом 100Base-TX и режим 10Base-T или функцию автоопределения скорости. Большинство современных сетевых карт и коммутаторов поддерживают эту функцию по портам RJ-45 и кроме этого могут работать в дуплексном режиме.

100Base-T4 Этот тип интерфейса позволяет обеспечить полудуплексный канал связи по витой паре UTP Cat.3 и выше. Именно возможность перехода предприятия со стандарта Ethernet на стандарт Fast Ethernet без радикальной замены существующей кабельной системы на основе UTP Cat.3 следует считать главным преимуществом этого стандарта.

В отличи от стандарта 100Base-TX, где для передачи используется только две витых пары кабеля, в стандарте 100Base-T4 используются все четыре пары (рис.3а). Причем при связи рабочей станции и повторителя посредством прямого кабеля, данные от рабочей станции к повторителю идут по витым парам 1, 3 и 4, а в обратном направлении - по парам 2, 3 и 4. Пары 1 и 2 используются для обнаружения коллизий подобно стандарту Ethernet. Другие две пары 3 и 4 попеременно в зависимости от команд могут пропускать сигнал либо в одном, либо в другом направлении. Битовая скорость в расчете на один канал составляет 33,33 Мбит/с.

Символьное кодирование 8B/6T. Если использовалось бы манчестерское кодирование, то битовая скорость в расчете на одну витую пару была бы 33.33 Мбит/с, что превышало установленный предел 30 МГц для таких кабелей. Эффективное уменьшить частоты модуляции достигается, если вместо прямого (2-х уровневого) бинарного кода использовать 3-х уровневый (ternary) код. Этот код известен как 8B6T ;это означает, что прежде, чем происходит передача, каждый набор из 8 бинарных битов (символ) сначала преобразуется в соответствии с определенными правилами в 6 тройных (3-х уровневых) символов. На примере, показанном на рис.3б, можно определить скорость 3-х уровневого символьного сигнала:

значение которой не превышает установленный предел.

Интерфейс 100Base-T4 имеет один существенный недостаток - принципиальную невозможность поддержки дуплексного режима передачи. И если при строительстве небольших сетей Fast Ethernet с использованием повторителей, 100Base-TX не имеет преимуществ перед 100Base-T4 (существует коллизионный домен, полоса пропускания которого не больше 100 Мбит/с), то при строительстве сетей с использованием коммутаторов недостаток интерфейса 100Base-T4 становится очевидным и очень серьезным. Поэтому данный интерфейс не получи столь большого распространения, как 100Base-TX и 100Base-FX.

История

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» R. M. Metcalfe and D. R. Boggs . Ethernet: Distributed Packet Switching for Local Computer Networks. // ACM Communications, 19(5):395--404, July 1976.

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.

Технология

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 .

Популярные разновидности Ethernet обозначаются как 10Base2, 100BaseTX и др. Здесь первый элемент обозначает скорость передачи, Мбит/с. Второй элемент:

• Base - прямая (немодулированная) передача,
• Broad - использование широкополосного кабеля с частотным уплотнением каналов.

Третий элемент: округленная длина кабеля в сотнях метров (10Base2 - 185 м, 10Base5 - 500 м) или среда передачи (T, ТХ, Т2, Т4 - витые пары, FX, FL, FB, SX и LX - оптоволокно, СХ - твинаксиальный кабель для Gigabit Ethernet).

Причинами перехода на витую пару 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 коаксиальном кабеле) - 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.

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 200 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 коаксиальным кабелем. 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 оптоволоконный 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 - никогда не применялся.

Быстрый Ethernet (Fast Ethernet , 100 Мбит/с)

• 100BASE-T - общий термин для обозначения стандартов, использующих в качестве среды передачи данных витую пару. 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 направления по каждой паре. Скорость передачи в одном направлении - 50 Мбит/с. Практически не используется.
• 100BASE-SX - стандарт, использующий многомодовое оптоволокно. Максимальная длина сегмента 400 метров в полудуплексе (для гарантированного обнаружения коллизий) или 2 километра в полном дуплексе.
• 100BASE-FX - стандарт, использующий одномодовое оптоволокно. Максимальная длина ограничена только величиной затухания в оптоволоконном кабеле и мощностью передатчиков.
• 100BASE-FX WDM - стандарт, использующий одномодовое оптоволокно. Максимальная длина ограничена только величиной затухания в оптоволоконном 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.

Fast Ethernet

Fast Ethernet (IEEE802.3u, 100BASE-X) - набор стандартов передачи данных в компьютерных сетях, со скоростью до 100 Мбит/с, в отличие от обычного Ethernet (10 Мбит/с).

Гигабит Ethernet (Gigabit Ethernet, 1 Гбит/с)

• 1000BASE-T , IEEE 802.3ab - стандарт, использующий витую пару категорий 5e. В передаче данных участвуют все 4 пары. Скорость передачи данных - 250 Мбит/с по одной паре.Используется метод кодирования PAM5, частота основной гармоники 62,5 МГц.
• 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 (1 пару на передачу, 1 пару на приём, по каждой паре данные передаются со скоростью 500 Мбит/с), что существенно упрощает конструкцию приёмопередающих устройств. Но, как следствие, для стабильной работы по такой технологии требуется кабельная система высокого качества, поэтому 1000BASE-TX может использовать только кабель 6 категории. 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. 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 оптоволокно. Дальность прохождения сигнала без повторителя до 550 метров.
• 1000BASE-LX , IEEE 802.3z - стандарт, использующий одномодовое оптоволокно. Дальность прохождения сигнала без повторителя до 80 километров.
• 1000BASE-CX - стандарт для коротких расстояний (до 25 метров), использующий твинаксиальный кабель с волновым сопротивлением 150 Ом. Заменён стандартом 1000BASE-T и сейчас не используется.
• 1000BASE-LH (Long Haul) - стандарт, использующий одномодовое оптоволокно. Дальность прохождения сигнала без повторителя до 100 километров.

10 Гигабит Ethernet

Новый стандарт 10 Гигабит 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 Гигабит Ethernet для коротких расстояний (до 15 метров), используется медный кабель CX4 и коннекторы InfiniBand.
• 10GBASE-SR - Технология 10 Гигабит Ethernet для коротких расстояний (до 26 или 82 метров, в зависимости от типа кабеля), используется многомодовое оптоволокно. Он также поддерживает расстояния до 300 метров с использованием нового многомодового оптоволокна (2000 МГц/км).
• 10GBASE-LX4 - использует уплотнение по длине волны для поддержки расстояний от 240 до 300 метров по многомодовому оптоволокну. Также поддерживает расстояния до 10 километров при использовании одномодового оптоволокна.
• 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.

Стандарт 10 Гигабит Ethernet ещё слишком молод, поэтому потребуется время, чтобы понять, какие из вышеперечисленных стандартов передающих сред будут реально востребованы на рынке. 10 Гигабит / секунду - это ещё не предел. Уже ведутся разработки 1000 G Ethernet и выше.