Тип кадра Сетевые протоколы

Ethernet II IPX, IP, AppleTalk Phase I

Ethernet 802.3 IPX

Ethernet 802.2 IPX, FTAM

Ethernet SNAP ______________ IPX, IP, AppleTalk Phase II ____________________________________________

3.3.4. Спецификации физической среды Ethernet

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. Метод доступа CSMA/CD и все временные параметры остаются одними и теми же для любой спецификации физической сре­ды технологии Ethernet 10 Мбит/с.

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).

Число 10 в указанных выше названиях обозначает битовую скорость передачи данных этих стандартов — 10 Мбит/с, а слово Base — метод передачи на одной базовой частоте 10 МГц (в отличие от методов, использующих несколько несущих частот, которые называются Broadband — широкополосными). Последний символ в названии стандарта физического уровня обозначает тип кабеля.

3.3. Технология Ethernet (802.3) 207

Стандарт 1 OBase-5

Стандарт 10Base-5 в основном соответствует экспериментальной сети Ethernet фир­мы Xerox и может считаться классическим Ethernet. Он использует в качестве среды передачи данных коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50 Ом, диаметром центрального медного провода 2, 17 мм и внешним диаметром около 10 мм («толстый» Ethernet). Такими характеристиками обладают кабели марок RG-8HRG-11.

Различные компоненты сети, состоящей из трех сегментов, соединенных повто­рителями, выполненной на толстом коаксиале, показаны на рис. 3.7.

Кабель используется как моноканал для всех станций. Сегмент кабеля имеет максимальную длину 500 м (без повторителей) и должен иметь на концах согласу­ющие терминаторы сопротивлением 50 Ом, поглощающие распространяющиеся по кабелю сигналы и препятствующие возникновению отраженных сигналов. При отсутствии терминаторов («заглушек») в кабеле возникают стоячие волны, так что одни узлы получают мощные сигналы, а другие — настолько слабые, что их прием становится невозможным.

Станция должна подключаться к кабелю при помощи приемопередатчика — трансивера (transmitter+Teceiver = transceiver). Трансивер устанавливается непо­средственно на кабеле и питается от сетевого адаптера компьютера. Трансивер может подсоединяться к кабелю как методом прокалывания, обеспечивающим непосред­ственный физический контакт, так и бесконтактным методом.

Трансивер соединяется с сетевым адаптером интерфейсным кабелем AUI (Attach­ment Unit Interface) длиной до 50 м, состоящим из 4 витых пар (адаптер должен иметь разъем AUI). Наличие стандартного интерфейса между трансивером и осталь­ной частью сетевого адаптера очень полезно при переходе с одного типа кабеля на другой. Для этого достаточно только заменить трансивер, а остальная часть сетево­го адаптера остается неизменной, так как она отрабатывает протокол уровня MAC. При этом необходимо только, чтобы новый трансивер (например, трансивер для витой пары) поддерживал стандартный интерфейс AUI. Для присоединения к ин­терфейсу AUI используется разъем DB-15.

Допускается подключение к одному сегменту не более 100 трансиверов, причем расстояние между подключениями трансиверов не должно быть меньше 2, 5 м. На кабеле имеется разметка через каждые 2, 5 м, которая обозначает точки подключе­ния трансиверов. При подсоединении компьютеров в соответствии с разметкой влияние стоячих волн в кабеле на сетевые адаптеры сводится к минимуму.

206 Глава 3 • Базовые технологии локальных сетей

Трансивер — это часть сетевого адаптера, которая выполняет следующие функции:

• прием и передача данных с кабеля на кабель;

• определение коллизий на кабеле;

• электрическая развязка между кабелем и остальной частью адаптера;

• защита кабеля от некорректной работы адаптера.

Последнюю функцию иногда называют «контролем болтливости», что является буквальным переводом соответствующего английского термина (jabber control). При возникновении неисправностей в адаптере может возникнуть ситуация, когда на кабель будет непрерывно выдаваться последовательность случайных сигналов. Так как кабель — это общая среда для всех станций, то работа сети будет заблокирована одним неисправным адаптером. Чтобы этого не случилось, на выходе передатчика ставится схема, которая проверяет время передачи кадра. Если максимально воз­можное время передачи пакета превышается (с некоторым запасом), то эта схема просто отсоединяет выход передатчика от кабеля. Максимальное время передачи кадра (вместе с преамбулой) равно 1221 мкс, а время jabber-контроля устанавли­вается равным 4000 мкс (4 мс).

Упрощенная структурная схема трансивера показана на рис. 3.8. Передатчик и приемник присоединяются к одной точке кабеля с помощью специальной схемы, например трансформаторной, позволяющей организовать одновременную переда­чу и прием сигналов с кабеля.

Детектор коллизий определяет наличие коллизии в коаксиальном кабеле по повышенному уровню постоянной составляющей сигналов. Если постоянная со­ставляющая превышает определенный порог (около 1, 5 В), значит, на кабель работает более одного передатчика. Развязывающие элементы (РЭ) обеспечивают гальвани­ческую развязку трансивера от остальной части сетевого адаптера и тем самым защищают адаптер и компьютер от значительных перепадов напряжения, возника­ющих на кабеле при его повреждении.

_________________________________________________________ 3.3. Технология Ethernet (802.3) 209

сеть нескольких сегментов кабеля и увеличения тем самым общей длины сети. Повторитель принимает сигналы из одного сегмента кабеля и побитно синхронно повторяет их в другом сегменте, улучшая форму и мощность импульсов, а также синхронизируя импульсы. Повторитель состоит из двух (или нескольких) транси-веров, которые присоединяются к сегментам кабеля, а также блока повторения со своим тактовым генератором. Для лучшей синхроннизации передаваемых бит по­вторитель задерживает передачу нескольких первых бит преамбулы кадра, за счет чего увеличивается задержка передачи кадра с сегмента на сегмент, а также не­сколько уменьшается межкадровый интервал IPG.

Стандарт разрешает использование в сети не более 4 повторителей и, соответ­ственно, не более 5 сегментов кабеля. При максимальной длине сегмента кабеля в 500 м это дает максимальную длину сети 10Base-5 в 2500 м. Только 3 сегмента из 5 могут быть нагруженными, то есть такими, к которым подключаются конечные узлы. Между нагруженными сегментами должны быть ненагруженные сегменты, так что максимальная конфигурация сети представляет собой два нагруженных крайних сегмента, которые соединяются ненагруженными сегментами еще с одним центральным нагруженным сегментом. На рис. 3.7 был приведен пример сети Ethernet, состоящей из трех сегментов, объединенных двумя повторителями. Край­ние сегменты являются нагруженными, а промежуточный — ненагруженным.

Правило применения повторителей в сети Ethernet 10Base-5 носит название «правило 5-4-3»: 5 сегментов, 4 повторителя, 3 нагруженных сегмента. Ограничен­ное число повторителей объясняется дополнительными задержками распростране­ния сигнала, которые они вносят. Применение повторителей увеличивает время двойного распространения сигнала, которое для надежного распознавания колли­зий не должно превышать время передачи кадра минимальной длины, то есть кад­ра в 72 байт или 576 бит.

Каждый повторитель подключается к сегменту одним своим трансивером, поэто­му к нагруженным сегментам можно подключить не более 99 узлов. Максимальное число конечных узлов в сети 10Base-5 таким образом составляет 99x3 = 297 узлов.

К достоинствам стандарта 10Base-5 относятся:

• хорошая защищенность кабеля от внешних воздействий;

• сравнительно большое расстояние между узлами;

• возможность простого перемещения рабочей станции в пределах длины кабеля AUI.

Недостатками 10Base-5 являются:

• высокая стоимость кабеля;

• сложность его прокладки из-за большой жесткости;

• потребность в специальном инструменте для заделки кабеля;

• останов работы всей сети при повреждении кабеля или плохом соединении;

• необходимость заранее предусмотреть подводку кабеля ко всем возможным местам установки компьютеров.

Стандарт 10Base-2

Стандарт 10Base-2 использует в качестве передающей среды коаксиальный кабель с диаметром центрального медного провода 0, 89 мм и внешним диаметром около

210 Глава 3 • Базовые технологии локальных сетей

5 мм («тонкий» Ethernet). Кабель имеет волновое сопротивление 50 Ом. Такими характеристиками обладают кабели марок RG-58 /U, RG-58 A/U, RG-58 C/U.

Максимальная длина сегмента без повторителей составляет 185 м, сегмент дол­жен иметь на концах согласующие терминаторы 50 Ом. Тонкий коаксиальный ка­бель дешевле толстого, из-за чего сети 10Base-2 иногда называют сетями Cheapernet (от cheaper — более дешевый). Но за дешевизну кабеля приходится расплачиваться качеством — «тонкий» коаксиал обладает худшей помехозащищенностью, худшей механической прочностью и более узкой полосой пропускания.

Станции подключаются к кабелю с помощью высокочастотного BNC Т-коннек-тора, который представляет собой тройник, один отвод которого соединяется с сетевым адаптером, а два других — с двумя концами разрыва кабеля. Максималь­ное количество станций, подключаемых к одному сегменту, — 30. Минимальное расстояние между станциями —1м. Кабель «тонкого» коаксиала имеет разметку для подключения узлов с шагом в 1 м.

Стандарт 10Base-2 также предусматривает использование повторителей, при­менение которых также должно соответствовать «правилу 5-4-3». В этом случае сеть будет иметь максимальную длину в 5x185 = 925 м. Очевидно, что это ограни­чение является более сильным, чем общее ограничение в 2500 метров.

ВНИМАНИЕ Для построения корректной сети Ethernet нужно соблюсти много ограничений, причем некоторые из них отно­сятся к одним и тем же параметрам сети - например, максимальная длина или максимальное количество компьютеров в сети должны удовлетворять одновременно нескольким разным условиям. Корректная сеть Ethernet должна соответствовать всем требованиям, но на практике нужно удовлетворить только наиболее жесткие. Так, если в сети Ethernet не должно быть более 1024 узлов, а cтандарт 10Base-2 ограничивает число нагруженных сегментов тремя, то общее количество узлов в сети 10Base-2 не должно превышать 29x3 - 87. Менее жесткое ограничение в 1024 конечных узла в сети 10Base-2 никогда не достигается.

Стандарт 10Base-2 очень близок к стандарту 10Base-5. Но трансиверы в нем объединены с сетевыми адаптерами за счет того, что более гибкий тонкий коак­сиальный кабель может быть подведен непосредственно к выходному разъему платы сетевого адаптера, установленной в шасси компьютера. Кабель в данном случае «висит» на сетевом адаптере, что затрудняет физическое перемещение компьютеров.

Типичный состав сети стандарта 10Base-2, состоящей из одного сегмента кабе­ля, показан на рис. 3.9.

___________________________________________________________ 3.3. Технология Ethernet (802.3) 211

количество механических соединений (каждый Т-коннектор дает три механичес­ких соединения, два из которых имеют жизненно важное значение для всей сети), пользователи имеют доступ к разъемам и могут нарушить целостность монокана­ла. Кроме того, эстетика и эргономичность этого решения оставляют желать луч­шего, так как от каждой станции через Т-коннектор отходят два довольно заметных провода, которые под столом часто образуют моток кабеля — запас, необходимый на случай даже небольшого перемещения рабочего места.

Общим недостатком стандартов 10Base-5 и 10Base-2 является отсутствие опера­тивной информации о состоянии моноканала. Повреждение кабеля обнаруживает­ся сразу же (сеть перестает работать), но для поиска отказавшего отрезка кабеля необходим специальный прибор — кабельный тестер.

Стандарт 10Base-T

Стандарт принят в 1991 году, как дополнение к существующему набору стандар­тов Ethernet, и имеет обозначение 802.31.

Сети 10Base-T используют в качестве среды две неэкранированные витые пары (Unshielded Twisted Pair, UTP). Многопарный кабель на основе неэкранированной витой пары категории 3 (категория определяет полосу пропускания кабеля, вели­чину перекрестных наводок NEXT и некоторые другие параметры его качества) телефонные компании уже достаточно давно использовали для подключения теле­фонных аппаратов внутри зданий. Этот кабель носит также название Voice Grade, говорящее о том, что он предназначен для передачи голоса.

Идея приспособить этот популярный вид кабеля для построения локальных сетей оказалась очень плодотворной, так как многие здания уже были оснащены нужной кабельной системой. Оставалось разработать способ подключения сетевых адаптеров и прочего коммуникационного оборудования к витой паре таким обра­зом, чтобы изменения в сетевых адаптерах и программном обеспечении сетевых операционных систем были бы минимальными по сравнению с сетями Ethernet на коаксиале. Это удалось, поэтому переход на витую пару требует только замены трансивера сетевого адаптера или порта маршрутизатора, а метод доступа и все протоколы канального уровня остались теми же, что и в сетях Ethernet на коаксиале.

Конечные узлы соединяются по топологии «точка-точка» со специальным уст­ройством — многопортовым повторителем с помощью двух витых пар. Одна витая пара требуется для передачи данных от станции к повторителю (выход Тх сетевого адаптера), а другая — для передачи данных от повторителя к станции (вход rx сетевого адаптера). На рис. 3.10 показан пример трехпортового повторителя. По­вторитель принимает сигналы от одного из конечных узлов и синхронно передает их на все свои остальные порты, кроме того, с которого поступили сигналы.

Многопортовые повторители в данном случае обычно называются концентра­торами (англоязычные термины — hub или concentrator). Концентратор осуществ­ляет функции повторителя сигналов на всех отрезках витых пар, подключенных к его портам, так что образуется единая среда передачи данных — логический моно­канал (логическая общая шина). Повторитель обнаруживает коллизию в сегменте в случае одновременной передачи сигналов по нескольким своим К_х-входам и по­сылает jam-последовательность на все свои Тх-выходы. Стандарт определяет бито­вую скорость передачи данных 10 Мбит/с и максимальное расстояние отрезка витой пары между двумя непосредственно связанными узлами (станциями и концентра-

212. Глава 3 • Базовые технологии локальных сетей

торами) не более 100 м при наличии витой пары качества не ниже категории 3. Это расстояние определяется полосой пропускания витой пары — на длине 100 м она позволяет передавать данные со скоростью 10 Мбит/с при использовании манчес­терского кода.

Рис. 3.10. Сеть стандарта ЮВазе-Т: Т_х - передатчик; R_x - приемник

Концентраторы 10Base-T можно соединять друг с другом с помощью тех же портов, которые предназначены для подключения конечных узлов. При этом нуж­но позаботиться о том, чтобы передатчик и приемник одного порта были соедине­ны соответственно с приемником и передатчиком другого порта.

Рис. 3.11. Иерархическое соединение концентраторов Ethernet

Для обеспечения синхронизации станций при реализации процедур доступа CSMA/CD и надежного распознавания станциями коллизий в стандарте определе­но максимально число концентраторов между любыми двумя станциями сети, а

_________________________________________________________ 3.3. Технология Ethernet (802.3) 213

именно 4. Это правило носит название «правила 4-х хабов» и оно заменяет «прави­ло 5-4-3», применяемое к коаксиальным сетям. При создании сети 10Base-T с боль­шим числом станций концентраторы можно соединять друг с другом иерархическим способом, образуя древовидную структуру (рис. 3.11).

ВНИМАНИЕ Петлевидное соединение концентраторов в стандарте 1 OBose-T запрещено, так как оно приводит к некор­ректной работе сети. Это требование означает, что в сети 10Base-T не разрешается создавать параллель­ные каналы связи между критически важными концентраторами для резервирования связей на случай отказа порта, концентратора или кабеля. Резервирование связей возможно только за счет перевода одной из парал­лельных связей в неактивное (заблокированное] состояние.

Общее количество станций в сети 10Base-T не должно превышать общего пре­дела в 1024, и для данного типа физического уровня это количество действительно можно достичь. Для этого достаточно создать двухуровневую иерархию концент­раторов, расположив на нижнем уровне достаточное количество концентраторов с общим количеством портов 1024 (рис. 3.12). Конечные узлы нужно подключить к портам концентраторов нижнего уровня. Правило 4-х хабов при этом выполняет­ся — между любыми конечными узлами будет ровно 3 концентратора.

Максимальная длина сети в 2500 м здесь понимается как максимальное рассто­яние между любыми двумя конечными узлами сети (часто применяется также термин «максимальный диаметр сети»). Очевидно, что если между любыми двумя узлами сети не должно быть больше 4-х повторителей, то максимальный диаметр сети 10Base-T составляет 5x100 - 500 м.

Сети, построенные на основе стандарта 10Base-T, обладают по сравнению с ко­аксиальными вариантами Ethernet многими преимуществами. Эти преимущества связаны с разделением общего физического кабеля на отдельные кабельные отрез­ки, подключенные к центральному коммуникационному устройству. И хотя логи­чески эти отрезки по-прежнему образуют общую разделяемую среду, их физическое разделение позволяет контролировать их состояние и отключать в случае обрыва, короткого замыкания или неисправности сетевого адаптера на индивидуальной основе. Это обстоятельство существенно облегчает эксплуатацию больших сетей Ethernet, так как концентратор обычно автоматически выполняет такие функции, уведомляя при этом администратора сети о возникшей проблеме,

В стандарте 10Base-T определена процедура тестирования физической работо­способности двух отрезков витой пары, соединяющих трансивер конечного узла и порт повторителя. Эта процедура называется тестом связности (link test), и она

214 Глава 3 • Базовые технологии локальных сетей

основана на передаче каждые 16 мс специальных импульсов J и К манчестерского кода между передатчиком и приемником каждой витой пары. Если тест не прохо­дит, то порт блокируется и отключает проблемный узел от сети. Так как коды J и К являются запрещенными при передаче кадров, то тестовые последовательности не влияют на работу алгоритма доступа к среде.

Появление между конечными узлами активного устройства, которое может кон­тролировать работу узлов и изолировать от сети некорректно работающие, являет­ся главным преимуществом технологии 10Base-T по сравнению со сложными в эксплуатации коаксиальными сетями. Благодаря концентраторам сеть Ethernet приобрела некоторые черты отказоустойчивой системы.

Оптоволоконный Ethernet

В качестве среды передачи данных 10 мегабитный Ethernet использует оптическое волокно. Оптоволоконные стандарты в качестве основного типа кабеля рекоменду­ют достаточно дешевое многомодовое оптическое волокно, обладающее полосой пропускания 500-800 МГц при длине кабеля 1 км. Допустимо и более дорогое од-номодовое оптическое волокно с полосой пропускания в несколько гигагерц, но при этом нужно применять специальный тип трансивера.

Функционально сеть Ethernet на оптическом кабеле состоит из тех же элемен­тов, что и сеть стандарта 10Base-T — сетевых адаптеров, многопортового повтори­теля и отрезков кабеля, соединяющих адаптер с портом повторителя. Как и в случае витой пары, для соединения адаптера с повторителем используются два оптово­локна — одно соединяет выход Тх адаптера со входом R_x повторителя, а другое — вход rx адаптера с выходом Т_х повторителя.

Стандарт FOIRL (Fiber Optic Inter-Repeater Link) представляет собой первый стандарт комитета 802.3 для использования оптоволокна в сетях Ethernet. Он гаран­тирует длину оптоволоконной связи между повторителями до 1 км при общей длине сети не более 2500 м. Максимальное число повторителей между любыми узлами сети — 4. Максимального диаметра в 2500 м здесь достичь можно, хотя мак­симальные отрезки кабеля между всеми 4 повторителями, а также между повторите­лями и конечными узлами недопустимы — иначе получится сеть длиной 5000 м.

Стандарт 10Base-FL представляет собой незначительное улучшение стандарта FOIRL. Увеличена мощность передатчиков, поэтому максимальное расстояние между узлом и концентратором увеличилось до 2000 м. Максимальное число по­вторителей между узлами осталось равным 4, а максимальная длина сети — 2500 м.

Стандарт 10Base-FB предназначен только для соединения повторителей. Ко­нечные узлы не могут использовать этот стандарт для присоединения к портам концентратора. Между узлами сети можно установить до 5 повторителей 10Base-FB при максимальной длине одного сегмента 2000 м и максимальной длине сети 2740 м.

Повторители, соединенные по стандарту 10Base-FB, при отсутствии кадров для передачи постоянно обмениваются специальными последовательностями сигналов, отличающимися от сигналов кадров данных, для поддержания синхронизации. Поэтому они вносят меньшие задержки при передаче данных из одного сегмента в другой, и это является главной причиной, по которой количество повторителей удалось увеличить до 5. В качестве специальных сигналов используются манчес­терские коды J и К в следующей последовательности: J-J-K-K-J-J-... Эта по­следовательность порождает импульсы частоты 2, 5 МГц, которые и поддерживают

__________________________________________________________ 3.3. Технология Ethernet (802.3) 215

синхронизацию приемника одного концентратора с передатчиком другого. Поэто­му стандарт 10Base-FB имеет также название синхронный Ethernet.

Как и в стандарте 10Base-T, оптоволоконные стандарты Ethernet разрешают соединять концентраторы только в древовидные иерархические структуры. Любые петли между портами концентраторов не допускаются.

Домен коллизий

В технологии Ethernet, независимо от применяемого стандарта физического уров­ня, существует понятие домена коллизий.

Домен коллизий (collision domain) — это часть сети Ethernet, все узлы которой распознают коллизию независимо от того, в какой части этой сети коллизия воз­никла. Сеть Ethernet, построенная на повторителях, всегда образует один домен коллизий. Домен коллизий соответствует одной разделяемой среде. Мосты, ком­мутаторы и маршрутизаторы делят сеть Ethernet на несколько доменов коллизий.

Приведенная на рис. 3.11 сеть представляет собой один домен коллизий. Если, например, столкновение кадров произошло в концентраторе 4, то в соответствии с логикой работы концентраторов 10Base-T сигнал коллизии распространится по всем портам всех концентраторов.

Если же вместо концентратора 3 поставить в сеть мост, то его порт С, связан­ный с концентратором 4, воспримет сигнал коллизии, но не передаст его на свои остальные порты, так как это не входит в его обязанности. Мост просто отработа­ет ситуацию коллизии средствами порта С, который подключен к общей среде, где эта коллизия возникла. Если коллизия возникла из-за того, что мост пытался передать через порт С кадр в концентратор 4, то, зафиксировав сигнал коллизии, порт С приостановит передачу кадра и попытается передать его повторно через случайный интервал времени. Если порт С принимал в момент возникновения коллизии кадр, то он просто отбросит полученное начало кадра и будет ожидать, когда узел, передававший кадр через концентратор 4, не сделает повторную по­пытку передачи. После успешного принятия данного кадра в свой буфер мост передаст его на другой порт в соответствии с таблицей продвижения, например на порт А. Все события, связанные с обработкой коллизий портом С, для осталь­ных сегментов сети, которые подключены к другим портам моста, останутся про­сто неизвестными.

Узлы, образующие один домен коллизий, работают синхронно, как единая рас­пределенная электронная схема.

Общие характеристики стандартов Ethernet 10 Мбит/с

В табл. 3.3 и 3.4 сведены основные ограничения и характеристики стандартов Ethernet.

Таблица 3.3. Общие ограничения для всех стандартов Ethernet

Номинальная пропускная способность 10 Мбит/с

Максимальное число станций в сети 1024

Максимальное расстояние между узлами в сети 2500 м (в 10Base-FB 2750 м)

Максимальное число коаксиальных сегментов в сети 5

216 Глава 3 • Базовые технологии локальных сетей

Таблица 3.4. Параметры спецификаций физического уровня для стандарта Ethernet