Ethernet

Ethernet - это самый распространенный на сегодняшний день стандарт локальных сетей. Когда говорят Ethernet, то под этим обычно понимают любой из вариантов этой технологии. В более узком смысле Ethernet - это сетевой стандарт, основанный на экспериментальной сети Ethernet Network, которую фирма Xerox разработала и реализовала в 1975 году. В 1980 году фирмы DEC, Intel и Xerox совместно разработали и опубликовали стандарт Ethernet версии II для сети, построенной на основе коаксиального кабеля, который стал последней версией фирменного стандарта Ethernet. Поэтому фирменную версию стандарта Ethernet называют стандартом Ethernet DIX или Ethernet II. На основе стандарта Ethernet DIX был разработан стандарт IEEE 802.3, который во многом совпадает со своим предшественником. Все выше перечисленные стандарты предназначались для сетей, функционирующих со скоростью 10 Мбит/с

В 1995 году был принят стандарт Fast Ethernet для сетей, функционирующих со скоростью 100 Мбит/с, который во многом не является самостоятельным стандартом, о чем говорит и тот факт, что его описание просто является дополнительным разделом к основному стандарту 802.3 - разделом 802.3u. Аналогично, принятый в 1998 году стандарт Gigabit Ethernet для сетей, функционирующих со скоростью 1000 Мбит/с, описан в разделе 802.3z основного документа. Спецификации Ethernet определяют протокол как совокупность из трех необходимых компонентов:

· набора правил физического уровня, задающих типы кабеля и ограничения кабельной системы для сетей Ethernet;

· формата кадра, задающего порядок и назначение битов, передаваемых в пакете Ethernet;

· механизма управления доступом к среде, называемого множественным доступом с контролем несущей и обнаружением коллизий.

Наиболее характерная особенность сети Ethernet - это механизм управления доступом к среде, который называется множественным доступом с контролем несущей и обнаружением коллизий (CSMA/CD, Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection). Подобно любому методу MAC, CSMA/CD позволяет компьютерам в сети совместно разделять единую узкополосную среду передачи без потери данных. Протокол разработан таким образом, что каждый узел имеет равные права на доступ к сетевой среде передачи. Когда узел в сети Ethernet хочет передать данные, сначала он проверяет сетевую среду, пытаясь определить, используется ли она. Это - фаза контроля несущей. Если узел выявляет в сети трафик, он выдерживает короткую паузу и снова прослушивает сеть. Если сеть свободна, то любой узел сети может осуществить через нее передачу своих данных. Это - фаза множественного доступа. Описанный механизм сам управляет доступом к среде передачи, но не без ошибок. Вполне возможно для двух (или более) систем установить, что сеть свободна, и начать передавать свои данные примерно в один и тот же момент. Это приводит к спорной ситуации, которая в спецификациях IEEE называется ошибкой качества сигнала (SQE, signal quality error) или, что более широко употребимо, коллизией (collision). Коллизии возникают, когда одна система передает данные, а другая система выполняет контроль несущей в течение короткого промежутка времени до того момента, как первый бит переданного пакета достигнет ее. Этот интервал известен как время состязания (contention time) или временной зазор (slot time), так как каждая вовлеченная в процесс система полагает, что она начала передавать данные первой. Таким образом, каждый узел в сети всегда находится в одном из трех возможных состояний: передаче, состязании или ожидании.

Когда сталкиваются пакеты от двух различных узлов, в кабеле возникает состояние, отличное от нормы, которое распространяется навстречу обеим системам. Когда каждая передающая система выявляет ненормальную ситуацию, она осознает, что имеет место коллизия, немедленно прекращает посылать данные и предпринимает действия, чтобы исправить эту ситуацию. Это - стадия обнаружения коллизии. Из-за того, что столкнувшиеся пакеты считаются поврежденными, обе задействованные системы передают в остальную сеть сигнал задержки (jam pattern), который устанавливает во всем кабеле напряжение, информирующее другие системы в сети о столкновении и предотвращающее возможную передачу ими данных. После передачи сигнала задержки оба узла, вовлеченные в конфликт, откладывают свою передачу на случайный интервал времени, который вычисляется по алгоритму с использованием их собственных МАС-адресов в качестве уникальных факторов. Этот процесс называется отсрочкой или временной выдержкой. Так как оба узла выполняют независимые вычисления временной паузы, то шанс, что они начнут повторную передачу в одно и тоже, время, существенно снижается. Однако это по-прежнему возможно, и, если между теми же двумя узлами возникнет очередная коллизия, то они оба увеличивают продолжительность интервалов задержки и снова переходят в состояние отсрочки. Большинство коллизий, которые возникают в типичной сети Ethernet, разрешаются в течение микросекунд. Следует понимать, что возникновение коллизий пакетов для сети Ethernet естественно и ожидаемо, и не обязательно является проблемой. Коллизии пакетов могут стать проблемой только в том случае, если их очень много, тогда в сети начинают накапливаться значительные задержки трафика.

Недостаток механизма CSMA/CD заключается в том, что чем больше трафик в сети, тем больше коллизий будет возникать. В обычной сети Ethernet загрузка находится приблизительно в диапазоне от 30 до 40 процентов. Когда загрузка возрастает примерно до 80 процентов, количество конфликтов увеличивается до значения, после которого производительность сети заметно снижается. В самом крайнем случае, известном как коллапс (collapse), сеть настолько забита трафиком, что почти всегда находится в состоянии состязания.

Спецификации Физического уровня для протокола Ethernet разработаны таким образом, что первые переданные 64 байта каждого пакета полностью распределяются по всей совокупной длине кабеля области коллизий. Очень важно, чтобы первый бит каждого передаваемого пакета достиг каждого узла в сети прежде, чем будет отправлен последний бит. Это требование выдвигается в связи с тем, что передающая система может выявить коллизию только тогда, когда она все еще передает данные. Если коллизия возникает после того, как последний бит покинул передающий узел, она называется поздней коллизией или иногда выходом за окно коллизий. Так как передающая система не имеет способа выявления поздних коллизий, она полагает, что пакет передан успешно. Любые данные, потерянные в результате поздней коллизии, не могут быть повторно переданы процессом Канального уровня. Эта задача переходит к протоколам, работающим на вышележащих уровнях модели OSI и использующим для обнаружения потери данных и вызова повторной передачи свои собственные механизмы. Последний процесс может отнимать время в сотни раз большее, чем повторная передача Ethernet, и это - одна из причин, по которой данной тип коллизии является проблемой. Поздние коллизии не являются обычным явлением для сети Ethernet, напротив, их появление свидетельствует о существовании серьезных проблем, которые надо немедленно устранить.

Механизм управления доступом к среде CSMA/CD является определяющим элементом протокола Ethernet, но он также накладывает и множество ограничений. Основным недостатком протокола Ethernet является то, что одновременно данные могут передаваться только в одном направления. Такой режим называется полудуплексным. Применяя специальное оборудование, также возможно организовать работу соединений Ethernet в дуплексном режиме, означающем, что устройство может передавать и получать данные одновременно. Дуплексный Ethernet возможен только для сегментов, которые имеют раздельные каналы для взаимодействия в каждом из направлений. Это относится к витой паре и оптоволоконному кабелю, поддерживаемым обычным Ethernet и Fast Ethernet, но не к коаксиальному кабелю. Из-за того, что обе системы при дуплексной связи могут передавать и получать данные одновременно, нет причин для возникновения конфликтов. В силу сказанного, нет необходимости в ограничениях кабельной системы, направленных на поддержку механизма выявления коллизий.

Исторически первые сети технологии Ethernet были созданы на коаксиальном кабеле диаметром 0,5 дюйма. В дальнейшем были определены и другие спецификации физического уровня для стандарта Ethernet, позволяющие использовать различные среды передачи данных. Физические спецификации технологии Ethernet на сегодняшний день включают следующие среды передачи данных.

· 10Base-5 - коаксиальный кабель диаметром 0,5 дюйма, называемый «толстым» коаксиалом. Имеет волновое сопротивление 50 Ом. Максимальная длина сегмента - 500 метров (без повторителей).

· 10Base-2 - коаксиальный кабель диаметром 0,25 дюйма, называемый «тонким» коаксиалом. Имеет волновое сопротивление 50 Ом. Максимальная длина сегмента - 185 метров (без повторителей).

· 10Base-T - кабель на основе неэкранированной витой пары (Unshielded Twisted Pair, UTP). Образует звездообразную топологию на основе концентратора. Расстояние между концентратором и конечным узлом - не более 100 м.

· 10Base-F - волоконно-оптический кабель. Топология аналогична топологии стандарта 10Base-T. Имеется несколько вариантов этой спецификации - FOIRL (расстояние до 1000 м), 10Base-FL (расстояние до 2000 м), 10Base-FB (расстояние до 2000 м).

Стандарт технологии Ethernet, описанный в документе IEEE 802.3, дает описание единственного формата кадра уровня MAC. Тем не менее, на практике в сетях Ethernet на канальном уровне используются кадры 4-х различных форматов (типов). Это связано с длительной историей развития технологии Ethernet, насчитывающей период существования до принятия стандартов IEEE 802.

Консорциум трех фирм Digital, Intel и Xerox в 1980 году представил на рассмотрение комитету 802.3 свою фирменную версию стандарта Ethernet в качестве проекта международного стандарта, но комитет 802.3 принял стандарт, отличающийся в некоторых деталях от предложения DIX. Отличия касались и формата кадра, что породило существование двух различных типов кадров в сетях Ethernet. Еще один формат кадра появился в результате усилий компании Novell по ускорению работы своего стека протоколов в сетях Ethernet. И, наконец, четвертый формат кадра стал результатом деятельности комитета 802.3 по приведению предыдущих форматов кадров к некоторому общему стандарту.

Различия в форматах кадров могут приводить к несовместимости в работе аппаратуры и сетевого программного обеспечения, рассчитанного на работу только с одним стандартом кадра Ethernet. Однако сегодня практически все сетевые адаптеры, драйверы сетевых адаптеров, мосты/коммутаторы и маршрутизаторы умеют работать со всеми используемыми на практике форматами кадров технологии Ethernet, причем распознавание типа кадра выполняется автоматически. Ниже приводится описание всех четырех типов кадров Ethernet. Один и тот же тип кадра может иметь разные названия, поэтому ниже для каждого типа кадра приведено по нескольку наиболее употребительных названий:

· кадр 802.3/LLC (кадр 802.3/802.2 или кадр Novell 802.2);

· кадр Raw 802.3 (или кадр Novell 802.3);

· кадр Ethernet DIX (или кадр Ethernet II);

· кадр Ethernet SNAP.

Форматы всех этих четырех типов кадров Ethernet приведены на рис. 21.

Рис. 21. Форматы кадров Ethernet

Стандарт 802.3/LLC определяет восемь полей заголовка (рис. 21, поле преамбулы и начальный ограничитель кадра на рисунке не показаны). Поле преамбулы (Preamble) состоит из семи синхронизирующих байт 10101010. Начальный ограничитель кадра (Start-of-frame-delimiter, SFD) состоит из одного байта 10101011. Появление этой комбинации бит является указанием на то, что следующий байт - это первый байт заголовка кадра.

Адрес назначения (Destination Address, DA) может быть длиной 2 или 6 байт. На практике всегда используются адреса из 6 байт. Первый бит старшего байта адреса назначения является признаком того, является адрес индивидуальным или групповым. Если он равен 0, то адрес является индивидуальным (unicast), а если 1, то это групповой адрес (multicast). Второй бит старшего байта адреса определяет способ назначения адреса - централизованный или локальный. Адрес источника (Source Address, SA) - это 2- или 6-байтовое поле, содержащее адрес узла - отправителя кадра. Первый бит адреса всегда имеет значение 0.

Подкадр протокола управления логической связью (Logical Link Control - LLC) – является одним из механизмов, позволяющих взаимодействовать локальным сетям разных топологий. Эта структуру из трех полей предшествует полю данных в кадре и используется для идентификации необходимого протокола в многопротокольных компьютерах. Это поле необходимо в связи с ограниченными возможностями протокола 802.3 в определении внешних протоколов. Подкадр LLC содержит следующие элементы:

· поле адреса порта службы получателя (Destination Service Address Port - DSAP) длиной в один октет (8 бит);

· поле адреса порта службы отправителя (Source Service Address Port - SSAP) длиной в один октет;

· служебное поле Control длиной в один октет.

Точки доступа к службам (service access points) идентифицируют протокол верхнего уровня, для которого предназначен пакет. Протоколам присвоены шестнадцатеричные значения, которые и записываются в поля DSAP и SSAP пакета. Уровень LLC выполняет адресацию и управляет каналом связи. На этом уровне принимается решение о том, какой механизм следует использовать для адресации станций в среде передачи и управления обменом данными между машинами отправителя и получателя. Длина (Length, L) - 2-байтовое поле, которое определяет длину поля данных в кадре. Поле данных (Data) может содержать от 0 до 1500 байт. Но если длина поля меньше 46 байт, то используется следующее поле - поле заполнения, чтобы дополнить кадр до минимально допустимого значения в 46 байт. Поле заполнения (Padding) состоит из такого количества байт заполнителей, которое обеспечивает минимальную длину поля данных в 46 байт. Это обеспечивает корректную работу механизма обнаружения коллизий. Поле контрольной суммы (Frame Check Sequence, FCS) состоит из 4 байт, содержащих контрольную сумму. Это значение вычисляется по алгоритму CRC-32.

Кадр Raw 802.3, называемый также кадром Novell 802.3, представлен на рис. 21. Из рисунка видно, что это кадр подуровня MAC стандарта 802.3, но без вложенного кадра подуровня LLC. Компания Novell долгое время не использовала служебные поля кадра LLC в своей операционной системе NetWare из-за отсутствия необходимости идентифицировать тип информации, вложенной в поле данных, так как там всегда находился пакет протокола IPX, долгое время бывшего единственным протоколом сетевого уровня в операционной системе (ОС) NetWare. Теперь, когда необходимость идентификации протокола верхнего уровня появилась, компания Novell стала использовать возможность инкапсуляции в кадр подуровня MAC кадра LLC, то есть использовать стандартные кадры 802.3/LLC. Такой кадр компания обозначает теперь в своих операционных системах как кадр 802.2, хотя он является комбинацией заголовков 802.3 и 802.2.

Кадр Ethernet DIX, называемый также кадром Ethernet II, имеет структуру (рис. 21), совпадающую со структурой кадра Raw 802.3. Однако 2-байтовое поле Длина кадра Raw 802.3 в кадре Ethernet DIX используется в качестве поля типа протокола. Это поле, теперь получившее название Type (Т) или EtherType, предназначено для тех же целей, что и поля DSAP и SSAP кадра LLC - для указания типа протокола верхнего уровня, вложившего свой пакет в поле данных этого кадра.

Для устранения разнобоя в кодировках типов протоколов, сообщения которых вложены в поле данных кадров Ethernet, комитетом 802.2 была проведена работа по дальнейшей стандартизации кадров Ethernet. В результате появился кадр Ethernet SNAP (SNAP - SubNetwork Access Protocol, протокол доступа к подсетям). Кадр Ethernet SNAP (рис. 21) представляет собой расширение кадра 802.3/LLC за счет введения дополнительного заголовка протокола SNAP, состоящего из двух полей: OUI и Type. Поле Type состоит из 2-х байт и повторяет по формату и назначению поле Type кадра Ethernet II (то есть в нем используются те же значения кодов протоколов). Поле OUI (Organizationally Unique Identifier) определяет идентификатор организации, которая контролирует коды протоколов в поле Type. С помощью заголовка SNAP достигнута совместимость с кодами протоколов в кадрах Ethernet II, а также создана универсальная схема кодирования протоколов.

Спецификация IEEE 802.3u, утвержденная в 1995 году, определяет протокол Канального уровня для сетей, функционирующих со скоростью 100 Мбит/с, что в десять раз выше скорости обычного, классического Ethernet. Обычно его называют Fast Ethernet или 100BaseT. Fast Ethernet быстро стал промышленным стандартом для монтажа новых ЛВС в основном за счет того, что он значительно улучшает производительность сети, а изменения относительно исходного Ethernet при этом минимальны. Ethernet оставляет неизменными два из трех определяющих элементов сети Ethernet. Новый протокол использует такой же формат кадра, как IEEE 802.3 и тот же механизм управления доступом к среде CSMA/CD. Усовершенствования, которые позволяют увеличить пропускную способность, заключаются в нескольких элементах конфигурации средств Физического уровня, включая типы применяемого кабеля, длину сегментов и допустимое количество концентраторов.

Официальный стандарт 802.3u установил три различных спецификации для физического уровня Fast Ethernet и дал им следующие названия:

· 100Base-FX для многомодового оптоволоконного кабеля, используются два волокна;

· 100Base-TX для двухпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP категории 5 или экранированной витой паре STP Type 1;

· 100Base-T4 для четырехпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP категории 3, 4 или 5.

Коаксиальный кабель, давший миру первую сеть Ethernet, в число разрешенных сред передачи данных новой технологии Fast Ethernet не попал. Это общая тенденция многих новых технологий, поскольку на небольших расстояниях витая пара категории 5 позволяет передавать данные с той же скоростью, что и коаксиальный кабель, но сеть получается более дешевой и удобной в эксплуатации. На больших расстояниях оптическое волокно обладает гораздо более широкой полосой пропускания, чем коаксиал, а стоимость сети получается ненамного выше, особенно если учесть высокие затраты на поиск и устранение неисправностей в крупной кабельной коаксиальной системе. Отказ от коаксиального кабеля привел к тому, что сети Fast Ethernet всегда имеют иерархическую древовидную структуру, построенную на концентраторах, как и сети 10Base-T/10Base-F. Основным отличием конфигураций сетей Fast Ethernet является сокращение диаметра сети примерно до 200 м, что объясняется уменьшением времени передачи кадра минимальной длины в 10 раз за счет увеличения скорости передачи в 10 раз по сравнению с 10-мегабитным Ethernet.

Тем не менее, это обстоятельство не очень препятствует построению крупных сетей на технологии Fast Ethernet. Дело в том, что середина 90-х годов отмечена не только широким распространением недорогих высокоскоростных технологий, но и бурным развитием локальных сетей на основе коммутаторов. При использовании коммутаторов протокол Fast Ethernet может работать в полнодуплексном режиме, в котором нет ограничений на общую длину сети, а остаются только ограничения на длину физических сегментов, соединяющих соседние устройства (100 метров между сетевым адаптером и коммутатором и 5 метров между коммутаторами). Поэтому при создании магистралей локальных сетей большой протяженности технология Fast Ethernet также активно применяется, но только в полнодуплексном варианте, совместно с коммутаторами.