Технология Ethernet

Рисунок 2.1 – Сеть Ethernet с топологией «общая шина»

В ранних версиях стандарта Ethernet компьютеры подключались к разделяемой среде в соответствии с типовой структурой «общая шина» (рисунок 2.1) коаксиальным кабелем.

Суть случайного метода доступа состоит в следующем. Посылающий узел сети Ethernet, инкапсулируя информацию в кадр, готовит его для передачи. Все узлы, стремящиеся отправить кадр в кабель, соревнуются между собой. Ни один узел не имеет преимуществ перед другими узлами. Узлы прослушивают наличие пакетов в кабеле. Если обнаруживается передаваемый пакет, то узлы, не стоящие в очередь на передачу, переходят в режим " ожидания".

Протокол Ethernet в каждый момент времени позволяет только одному узлу работать на передачу. Для передачи генерируется сигнал несущей частоты. Контроль несущей – это процесс проверки коммуникационного кабеля на наличие определенного напряжения, указывающего на наличие сигнала передающего данные. Если в среде передачи отсутствует информационный сигнал, любой узел может начать передачу данных.

Иногда несколько узлов начинают передачу одновременно, что приводит к конфликту (коллизии). Передающий узел обнаруживает конфликт, проверяя уровень сигнала. В случае конфликта уровень сигнала, по крайней мере, в два раза превышает нормальный. Для разрешения конфликтов пакетов передающий узел использует программный алгоритм обнаружения конфликтов. Этот алгоритм разрешает станциям, отправляющим пакеты, продолжать передачу в течение установленного промежутка времени. При этом передается сигнал помехи, состоящий из двоичных единиц, и по этому сигналу все слушающие сеть узлы определяют наличие конфликта. Затем на каждом узле программно генерируется случайное число, которое используется как время ожидания для начала следующей передачи. Такой подход является гарантией того, что два узла не начнут одновременно повторную передачу данных. Если за 16 попыток станция не смогла передать пакет, то считается, что среда недоступна (повреждена).

Хорошей аналогией взаимодействиям в среде Ethernet может служить разговор группы вежливых людей в небольшой темной комнате. При этом аналогией электрическим сигналам в коаксиальном кабеле служат звуковые волны в комнате. Каждый человек слышит речь других людей (контроль несущей). Все люди в комнате имеют одинаковые возможности вести разговор (множественный доступ), но никто не говорит слишком долго, так как все вежливы. Если человек будет невежлив, то его попросят выйти (т.е. удалят из сети). Все молчат, пока кто-то говорит. Если два человека начинают говорить одновременно, то они сразу обнаруживают это, поскольку слышат друг друга (обнаружение столкновений). В этом случае они замолкают и ждут некоторое время, после чего один из них вновь начинает разговор. Другие люди слышат, что ведется разговор, и ждут, пока он кончится, а затем могут начать говорить сами. Каждый человек имеет собственное имя (аналог уникального Ethernet-адреса).

Из описания метода доступа видно, что он носит вероятностный характер, и вероятность успешного получения в свое распоряжение общей среды зависит от загруженности сети, то есть от интенсивности возникновения в станциях потреб­ности в передаче кадров. При разработке этого метода в конце 70-х годов предпо­лагалось, что скорость передачи данных в 10 Мбит/с очень высока по сравнению с потребностями компьютеров во взаимном обмене данными, поэтому загрузка сети будет всегда небольшой. При значительной интен­сивности коллизий полезная пропускная способность сети Ethernet резко падает, так как сеть почти постоянно занята повторными попытками передачи кадров. Для уменьшения интенсивности возникновения коллизий нужно либо уменьшить трафик, сократив, например, количество узлов в сегменте или заменив приложе­ния, либо повысить скорость протокола, например, перейти на Fast Ethernet.

Принципиально меняет ситуацию использование коммутируемого Ethernet. В нем используются специальные устройства - коммутаторы (свитчи), которые, на основании адресов узлов сети могут устанавливать независимые друг от друга соединения между пользователями. В этом случае каждое устройство может принимать и передавать данные независимо друг от друга. Соответственно, механизм доступа к среде сильно упрощается. Понятие коллизий отсутствует, именно это позволяет использовать Ethernet в операторских решениях, на равных конкурируя с намного более сложными и дорогостоящими технологиями доступа к среде.

Применение коммутаторов позволило расширять сети Ethernet и делать их сег­ментными. Это позволяет реализовать в сети Ethernet архитек­туры " звезда", " дерево" или даже «кольцо». Коммутируемый Ethernet работает на витой паре или оптике.

Простота логики работы сетейEthernet ведет к упрощению и, соответственно, удешевлению сетевых адаптеров и их драйверов. По той же причине адаптеры сети Ethernet обладают высокой надежностью.

И, наконец, еще одним замечательным свойством сетей Ethernet является их хорошая расширяемость, то есть легкость подключения новых узлов.

В сети Fast Ethernet не предусмотрена физическая топология «шина», используется только «пассивная звезда» или «пассивное дерево». В этих топологиях используется витая пара или оптоволоконный кабель. Главное - чтобы в топологии не было замкнутых путей (петель). Фактически получается, что абоненты соединены в физическую шину, так как сигнал от каждого из них распространяется сразу во все стороны и не возвращается назад (как в кольце).

При передаче кадров заданному узлу используются физические адреса. Каждая станция и сервер имеет уникальный адрес, связанный с сетевым адаптером (network interface card, NIC). Этот адаптер соединяет станцию или сервер с сетевым коммуникационным кабелем. Адрес " зашивается" в микросхему ПЗУ, расположенную на адаптере. Компьютерная логика, выполняющая описанные выше функции, реализована в виде программ и соответствующих файлов, называемых сетевыми драйверами. Драйвер устанавливается на компьютере.

Сетевой адрес представлен некоторым шестнадцатеричным числом (например, 0004AC8428DE). Первая половина адреса предназначена для обозначения конкретного производителя оборудования, а вторая, обычно формируемая самим производителем, является уникальной для интерфейса или устройства. Некоторые производители во второй половине адреса используют также код, идентифицирующий тип устройства – компьютер, мост, маршрутизатор или шлюз. Некоторые сетевые устройства (например, серверы с двумя сетевыми адаптерами) имеют несколько интерфейсов и, следовательно, несколько физических подключений к сети. Каждый сетевой интерфейс такого устройства имеет уникальный адрес, и это устройство идентифицируется в сети с помощью нескольких уникальных адресов, принадлежащим конкретным сетевым интерфейсам.

В сети используются пакеты переменной длины со структурой, представленной на рис. 2.2.

Длина кадра Ethernet (то есть пакета без преамбулы) должна быть не менее 512 битовых интервалов (64 байтов).

Рисунок2.2 –Структура пакета сети Ethernet

(цифры показывают количество байт)