Стандарт 802.3. Технология Ethernet

В настоящее время стандарт стал фактически единственным, который используется для построения локальных сетей. В 1995 году появился дополнительный стандарт IEEE 802.3u – Fast Ethernet (100 Мбит/с), а в 1998 – IEEE 802.3z, ab (Gigabit Ethernet – 1 Гбит/с), а в настоящее время - IEEE 802.3ae (10G Ethernet – 10 Гбит/с).

В сетях Ethernet используется метод коллективного доступа с опознаванием несущей и обнаружением коллизий CSMA/CD. Метод применяется в сетях с логической топологией «общая шина», данные распространяются в обе стороны «шины» максимально быстро. Кадр, посылаемый одной станцией, получают все остальные, но принимает только та станция, которая опознала свой MAC адрес в поле кадра «адрес получателя». Простота организации и дешевизна этого метода обеспечила популярность сетям, построенным на его основе.

Этот метод относится к методам случайного доступа. Он предполагает, что все станции, подключенные к сети, могут в любое время обращаться к общей шине. При этом может возникнуть одновременная передача (данные сталкиваются и искажаются). Тогда передачу нужно прекратить и продолжить, когда среда будет свободна.

Рис. 4.2. Метод доступа с опознаванием несущей и обнаружением коллизий

1. Станция прослушивает среду передачи и, если считает ее свободной (отсутствует передача данных), то начинает передачу своего кадра данных. На рис.4.2. узел 1 начал передачу, узел 2 находится в режиме ожидания, пока среда занята. Все станции просматривают кадр. Та станция, которая опознает свой адрес, записывает принятый кадр в свой внутренний буфер.

2. После окончания передачи кадра все станции выдерживают технологическую паузу с целью приведения сетевых адаптеров в исходное состояние и предотвращения монопольного захвата среды одной станцией. На рис.4.2. узел 2 дождался освобождения среды и выдержал технологическую паузу. Для стандарта 802.3 длительность технологической паузы равна 9.6 мкс.

3. Если несколько узлов держали паузу, то после технологического интервала они могут начать передачу одновременно или почти одновременно, что связано с конечным временем распространения сигнала. При этом данные сталкиваются, искажаются, происходит «коллизия». Например, на рис.4.2. узел 3 начал передачу чуть раньше узла 1, но сигнал от узла 3 еще не успел дойти до узла 1, когда узел 1 тоже начал передачу.

4. Если передающая станция считает, что она передала информацию правильно, то искажения будут обнаружены принимающей станцией, а повторная передача будет организована протоколом верхнего уровня, на что может уйти до нескольких секунд. Полезная пропускная способность сети упадет. Поэтому важно, чтобы станции-отправители вовремя могли обнаружить коллизию.

5. Чтобы обнаружить коллизию станции -отправители одновременно с передачей продолжают прослушивать среду, и, если предаваемые и наблюдаемые сигналы отличаются, то фиксируется обнаружение коллизии (Collision detection). Для увеличения вероятности скорейшего распознавания коллизии всеми ее участниками, станция, которая обнаружила коллизию первой, прерывает передачу своего кадра и посылает в сеть jam-последовательность из 32 бит для усиления ситуации коллизии. После обнаружения коллизии все передающие станции прекращают передачу, выдерживают паузу случайной длительности (не стандартную технологическую) и снова пытаются захватить среду для повторной передачи искаженного коллизией кадра. Это делается с целью уменьшения вероятности повторной коллизии.

Пауза выбирается следующим образом:

Пауза=L∙(512∙0.1) мкс, где

0.1 мкс – время передачи одного бита при скорости 10 Мбит/с, L – случайное число из диапазона {0-2^N}, N – номер повторной попытки передачи 1-10.

После 10-й попытки (с каждой последующей попыткой интервал увеличивается) интервал остается постоянным. Если после 16 попыток кадр так и не удалось передать, он отбрасывается и передача прекращается.

512 – длина минимального кадра с полем данных длиной 46 байт (без преамбулы) в битах.

Для надежного распознавания коллизий всеми станциями необходимо, чтобы соблюдалось время двойного оборота:

T_min≥PDV,

где T_min – время передачи кадра минимальной длины, PDV – время распространения данных между двумя наиболее удаленными друг от друга станциями сети умноженное на 2.

В наихудшем случае, сигнал (первый бит кадра) от первой станции, которая находится в одном конце сети, должен успеть дойти до наиболее удаленной от нее станции в другом конце сети и вернуться обратно искаженным, пока первая станция еще не закончилась передачу последнего бита своего кадра. Только в таком случае, станция может определить, что ее кадр попал в коллизию. Тогда станция при следующей возможности передачи повторит испорченный кадр данных. Если же станция будет считать, что кадр передан успешно, она продолжит передавать следующие кадры, а восстановлением потерь займутся вышележащие протоколы, что сильно ухудшит производительность сети.

Время двойного оборота обеспечивается правильным выбором параметров сети, в частности, соотношением между минимальной длиной кадра и максимально возможным диаметром сети (расстояние между двумя наиболее удаленными станциями сети). Исходя из этого, минимальная длина поля данных была выбрана равной 46 байтам, а не 0, как в других технологиях, например, Token Ring фирмы IBM.

С увеличением скорости передачи данных должен либо уменьшаться диаметр сети, либо увеличиваться время передачи самого короткого кадра, т.е. его минимальная длинна.