EtherNet стандарт IEEE 802.3
Это самый распространенный на сегодняшний день стандарт технологии сети.
Особенности:
Архитектура сетевой технологии Ethernet фактически объединяет целый набор стандартов, имеющих как общие черты, так и отличия.
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 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 издали брошюру под названием «Ethernet: Distributed Packet Switching For Local Computer Networks». Меткалф ушёл из Xerox в 1979 году и основал компанию 3Com для продвижения компьютеров и локальных вычислительных сетей. Ему удалось убедить DEC, Intel и Xerox работать совместно и разработать стандарт Ethernet (DIX). Впервые этот стандарт был опубликован 30 сентября 1980 года .
Дальнейшее развитие технологии EtherNet:
На уровне MAC, который обеспечивает доступ к среде и передаче кадра, для идентификации сетевых интерфейсов узлов сети используются регламентированные стандартом уникальные 6-байтовые адреса, называемые MAC-адресами. Обычно MAC-адрес записывается в виде шести пар шестнадцатеричных цирф, разделенных тире или двоеточиями, например 00-29-5E-3C-5B-88. Каждый сетевой адаптер имеет MAC-адрес.
Структура MAC-адреса Ethernet:
Некоторые сетевые программы, в частности wireshark, могут сразу отображать вместо кода производителя - название фирмы производителя данной сетевой карты.
В сетях Ethernet существует 4 типа фреймов (кадров):
На практике в оборудовании EtherNet используется только один формат кадра, а именно кадр EtherNet DIX, который иногда называют кадром по номеру последнего стандарта DIX.
Кадр EtherNet DIX (II) не отражает разделения канального уровня EtherNet на уровень MAC и уровень LLC: его поля поддерживают функции обоих уровней, например интерфейсные функции поля T относятся у функциям уровня LLC, в то время как все остальные поля поддерживают функции уровня MAC.
Рассмотрим формат кадра EtherNet II на примере перехваченного пакета с помощью сетевого анализатора Wireshark
Обратите внимание, что так как MAC адрес состоит из кода производителя и номера интерфейса, то сетевой анализатор сразу преобразует код производителя в название фирмы-изготовителя.
Таким образом в технологии EtherNet в качестве адреса назначения и адреса получателя выступают MAC адреса.
Физические спецификации технологии Ethernet включают следующие среды передачи данных.
Число 10 обозначает номинальную битовую скорость передачи данных стандарта, то есть 10Мбит/с а слово «Base» - метод передачи на одной базовой частоте. Последний символ обозначает тип кабеля.
Кабель используется как моноканал для всех станций, максимальная длина сегмента 500м. Станция подключаться к кабелю через приемопередатчик - трансивер. Трансивер соединяется с сетевым адаптером разъема DB-15 интерфейсным кабелем AUI. Требуется наличие терминаторов на каждом конце, для поглощения распространяющихся по кабелю сигналов.
Правила «5-4-3» для коаксиальных сетей:
Стандарт сетей на коаксиальном кабеле 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 в 500*5=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.
Кабель используется как моноканал для всех станций, максимальная длина сегмента 185 м. Для подключения кабеля к сетевой карте нужен T-коннектор, а на кабеле должен быть BNC-коннектор.
Также используется правило 5-4-3.
Образует звездообразную топологию на основе концентратора, концентратор осуществляет функцию повторителя и образует единый моноканал, максимальная длина сегмента 100м. Конечные узлы соединяются с помощью двух витых пар. Одна пара для передачи данных от узла к концентратору - Tx, а другая для передачи данных от концентратора к узлу – Rx.
Правила «4-х хабов» для сетей на основе витой пары:
В стандарте сетей на витой паре определено максимально число концентраторов между любыми двумя станциями сети, а именно 4. Это правило носит название «правила 4-х хабов». Очевидно, что если между любыми двумя узлами сети не должно быть больше 4-х повторителей, то максимальный диаметр сети на основе витой пары составляет 5*100 = 500 м (максимальная длина сегмента 100м).
Функционально сеть Ethernet на оптическом кабеле состоит из тех же элементов, что и сеть стандарта 10Base-T
Стандарт FOIRL (Fiber Optic Inter-Repeater Link) первый стандарт комитета 802.3 для использования оптоволокна в сетях Ethernet. Мах длина сегмента 1000м, мах число хабов 4, при общей длине сети не более 2500 м.
Стандарт 10Base-FL незначительное улучшение стандарта FOIRL. Мах длина сегмента 2000 м. Максимальное число хабов 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. Мах число хабов 5, мах длина одного сегмента 2000 м и максимальной длине сети 2740 м.
Таблица. Параметры спецификаций физического уровня для стандарта Ethernet
При рассмотрении правила «5-4-3» или «4-х хабов», в случае появления на пути распространения по кабелям воображаемого сигнала устройства типа «свич», расчет топологических ограничений начинается с нуля.
Пропускная способность оценивается через количество кадров либо количество байт данных, передаваемых по сети за единицу времени. Если в сети не происходят коллизии, максимальная скорость передачи кадров минимального размера(64 байта) составляет 14881 кадров в секунду. При этом полезная пропускная способность для кадров Ethernet II – 5.48 Мбит/с.
Максимальная скорость передачи кадров максимального размера (1500 байт) составляет 813 кадров в секунду. Полезная пропускная способность при этом составит 9.76 Мбит/с.
Шаблон технологии Ethernet, написан в доке IEEE 802,3. Это единственное описание кадра формата уровня MAC. В сети Ethernet реализован только один тип кадра канального уровня, заголовок которого есть множество заголовков подуровней MAC и LLC что есть некой .
Сегодня сетевое аппаратное и программное обеспечение умеют работать со всеми форматами кадров, и распознавание кадров работает автоматически что уменьшает и одним из . Форматы кадров показано на рис.1.
Рисунок 1
Заголовок этого кадра объединяет поля заголовком кадров IEEE 802,3 и 802,2. Стандарт 802,3 состоит из:
Этот кадр есть кадр подуровня MAC, в его поле данных влажуется кадр подуровня LLC с удаленными флагами в конце и начала кадра который передается через .
Раньше этот кадр был протоколом сетевого уровня в ОС MetWare. Но теперь, когда нужда в идентификации протокола верхнего уровня отпала, то кадр был инкапсулирован в кадр MAC кадра LLC.
Этот кадр имеет структуру, которая похожа на структуру Ras 802,3. Но 2-байтовое поле длины здесь имеет назначения поля типа протокола. Указывает тип протокола верхнего уровня, вложившей свой пакет в поле данных этого кадра. Различают эти кадры по длине поля, если значении меньше 1500 то это поле длины, если больше — то типа.
Кадр появился в результате устранения разнобоя в кодировках типов протоколов. Протокол используется также в протоколе IP при инкапсуляции следующих сетей: Token Ring, FDDI, 100VC-AnyLan. Но при передаче IP пакетов через Ethernet протокол использует кадры Ethernet DIX.
Этот протокол может использовать все четыре типа кадра Ethernet. Он определяет тип по проверки отсутствия или наличия поля LLC. Также за полями DSAP/SSAP. Если значение полей равны 0хАА, то это кадр SNAP иначе это 802,3/LLC.
Выделим три главных элемента стандарта: формат кадра, систему сигнализации между рабочими станциями при осуществлении передачи данных по протоколу CSMA/CD и набор физических сред: коаксиальный кабель, витая пара, волоконно-оптический кабель.
На рис. 7-2 показан формат кадра Ethernet. Поля имеют следующие назначения:
— Преамбула: 7 байт, каждый из которых представляет чередование единиц и нулей 10101010. Преамбула позволяет установить битовую синхронизацию на приемной стороне.
— Ограничитель начала кадра (SFD, start frame delimiter): 1 байт, последовательность 10101011. указывает, что далее последуют, информационные поля кадра. Этот байт можно относить к преамбуле.
— Адрес назначения (DA, destination address): 6 байт, указывает МАС-адрес станции (МАС-адреса станций), для которой (которых) предназначен этот кадр. Это может быть единственный физический адрес (unicast), групповой адрес (multicast) или широковещательный адрес (broadcast).
— Адрес отправителя (SA, source address): б байт, указывает МАС-адрес станции, которая посылает кадр.
— Поле типа или длины кадра (Т or L, type or length): 2 байта. Существуют два базовых формата кадра Ethernet (в английской терминологии raw formats -сырые форматы) -EthernetII и IEEE 802.3 (рис. 7.2), причем различное назначение у них имеет именно рассматриваемое поле. Для кадра EthernetII в этом поле содержится информация о типе кадра. Ниже приведены значения в шестнадцатеричной системе этого поля для некоторых распространенных сетевых протоколов: 0х0800 для IP, 0х0806 для ARP, 0х809В для AppleTalk, 0х0600 для XNS, и 0х8137 для IPX/SPX. С указанием в этом поле конкретного значения (одного из перечисленных) кадр приобретает реальный формат, и в таком формате кадр уже может распространяться по сети.
— Для кадра IEEE 802,3 в этом поле содержится выраженный в байтах размер следующего поля — поля данных (LLC Data). Если эта цифра приводит к общей длине кадра меньше 64 байт, то за полем LLC Data добавляется поле Pad. Для протокола более высокого уровня не возникает путаницы с определением типа кадра, так как для кадра IEEE 802.3 значение этого поля не может быть больше 1500 (0x05DC). Поэтому, в одной сети могут свободно сосуществовать оба формата кадров, более того, один сетевой адаптер может взаимодействовать с обоими типами посредством стека протоколов.
— Данные (LLC Data): поле данных, которое обрабатывается подуровнем LLC. Сам по себе кадр IEEE 802.3 еще не окончательный. В зависимости от значений первых нескольких байт этого поля, могут быть три окончательных формата этого кадра IEEE 802.3:
— Ethernet_802.3 (не стандартный, в настоящее время устаревающий формат, используемый Novell) — первые два байта LLC Data равны 0xFFFF;
— EthernetSNAP (стандартный IEEE 802.2 SNAP формат, которому отдается наибольшее предпочтение в современных сетях, особенно для протокола TCP/IP) — первый байт LLC Data равен 0хАА;
— Ethernet_802.2 (стандартный IEEE 802.2 формат, используется фирмой Novell в NetWare 4.0) — первый байт LLC Data не равен ни 0xFF (11111111), ни 0хАА (10101010).
Дополнительное поле (pad — наполнитель) — заполняется только в том случае, когда поле данных невелико, с целью удлинения длины кадра до минимального размера 64 байта — преамбула не учитывается. Ограничение снизу на минимальную длину кадра необходимо для правильного разрешения коллизий.
Контрольная последовательность кадра (FCS, frame check sequence): 4-байтовое поле, в котором указывается контрольная сумма, вычисленная с использованием циклического избыточного кода по полям кадра, за исключением преамбул SDF и FCS.
Рис. 7.2. Два базовых MAC формата кадра Ethernet
Протокол CSMA/CD определяет характер взаимодействия рабочих станций в сети с единой общей для всех устройств средой передачи данных. Все станции имеют равноправные условия по передаче данных. Нет определенной последовательности, в соответствии с которой станции могут получать доступ к среде для осуществления передачи. Именно в этом смысле доступ к среде осуществляется случайным образом. Реализация алгоритмов случайного доступа представляется значительно более простой задачей, чем реализация алгоритмов детерминированного доступа. Поскольку в последнем случае требуется или специальный протокол, контролирующий работу всех устройств сети (например, протокол обращения маркера, свойственный сетям Token Ring и FDDI), или специальное выделенное устройство-мастер концентратор, который в определенной последовательности предоставлял бы всем остальным станциям возможность передавать (сети Arcnet, 100VG AnyLAN).
Однако сеть со случайным доступом имеет один, пожалуй главный, недостаток — это не совсем устойчивая работа сети при большой загруженности, когда может проходить достаточно большое время, прежде чем данной станции удается передать данные. Виной тому-коллизии, которые возникают между станциями, начавшими передачу одновременно или почти одновременно. При возникновении коллизии передаваемые данные не доходят до получателей, а передающим станциям приходится повторно возобновлять передачу.
Дадим определение: множество всех станций сети, одновременная передача любой пары из которых приводит к коллизии, называется коллизионным доменом (collision domain). Из-за коллизии (конфликта) могут возникать непредсказуемые задержки при распространении кадров по сети, особенно при большой загруженности сети (много станций пытаются одновременно передавать внутри коллизионного домена, > 20-25), и при большом диаметре коллизионного домена (> 2 км). Поэтому при построении сетей желательно избегать таких экстремальных режимов работы.
Проблема построения протокола, способного наиболее рационально разрешать коллизии, и оптимизирующего работу сети при больших загрузках, была одной из ключевых на этапе формирования стандарта Ethernet IEEE 802.3. Первоначально рассматривались три основных подхода в качестве кандидатов для реализации стандарта случайного доступа к среде (рис. 7.3): непостоянный, 1-постоянный и р-постоянный.
Рис. 7.3. Алгоритмы множественного случайного доступа (CSMA) и выдержка времени в конфликтной ситуации (collision backoff)
Непостоянный (nonpersistent) алгоритм. При этом алгоритме станция, желающая передавать, руководствуется следующими правилами.
1. Прослушивает среду, и, если среда свободна (т.е. если нет другой передачи или нет сигнала коллизии), передает, в противном случае — среда занята -переходит к шагу 2.
2. Если среда занята, ждет случайное (в соответствии с определенной кривой распределения вероятностей) время и возвращается к шагу 1.
Использование случайного значения ожидания при занятой среде уменьшает вероятность образования коллизий. Действительно, предположим в противном случае, что две станции практически одновременно собрались передавать, в то время, как третья уже осуществляет передачу. Если первые две не имели бы случайного времени ожидания перед началом передачи (в случае, если среда оказалась занятой), а только прослушивали среду и ждали, когда она освободится, то после прекращения передачи третьей станцией первые две начали бы передавать одновременно, что неизбежно приводило бы к коллизиям. Таким образом, случайное ожидание устраняет возможность образования таких коллизий. Однако неудобство этого метода проявляется в неэффективном использовании полосы пропускания канала. Поскольку может случиться, что к тому моменту, когда среда освободится, станция, желающая передавать, еще будет продолжать ожидать некоторое случайное время, прежде чем решится прослушивать среду, поскольку перед этим уже прослушивала среду, которая оказалась занятой. В итоге канал будет простаивать какое-то время, даже если только одна станция ожидает передачи.
1-постоянный (1-persistent) алгоритм. Для сокращения времени, когда среда не занята, мог бы использоваться 1-постоянный алгоритм. При этом алгоритме станция, желающая передавать, руководствуется следующими правилами.
1. Прослушивает среду, и, если среда не занята, передает, в противном случае переходит к шагу 2;
2. Если среда занята, продолжает прослушивать среду до тех пор, пока среда не освободится, и, как только среда освобождается, сразу же начинает передавать.
Сравнивая непостоянный и 1-постоянный алгоритмы, можно сказать, что в 1-постоянном алгоритме станция, желающая передавать, ведет себя более «эгоистично». Поэтому, если две или более станций ожидают передачи (ждут, пока не освободится среда), коллизия, можно сказать, будет гарантирована. После коллизии станции начинают решать, что им делать дальше.
Р-постоянный (p-persistent) алгоритм. Правила этого алгоритма следующие:
1. Если среда свободна, станция с вероятностью р сразу же начинает передачу или с вероятностью (1-р) ожидает в течение интервала времени Т. Интервал Т обычно берется равным максимальному времени распространения сигнала из конца в конец сети;
2. Если среда занята, станция продолжает прослушивание до тех пор, пока среда не освободится, затем переходит к шагу 1;
3. Если передача задержана на один интервал Т, станция возвращается к шагу 1.
И здесь возникает вопрос выбора наиболее эффективного значения параметра р. Главная проблема, как избежать нестабильности при высоких загрузках. Рассмотрим ситуацию, при которой n станций намерены передать кадры, в то время, как уже идет передача. По окончанию передачи ожидаемое количество станций, которые попытаются передавать, будет равно произведению количества желающих передавать станций на вероятность передачи, то есть пр. Если np > 1, то в среднем несколько станций будут пытаться передать сразу, что вызовет коллизию. Более того, как только коллизия будет обнаружена, все станции вновь перейдут к шагу 1, что вызовет повторную коллизию. В худшем случае, новые станции, желающие передавать, могут добавиться к n, что еще больше усугубит ситуацию, приведя, в конечном итоге, к непрерывной коллизии и нулевой пропускной способности. Во избежании такой катастрофы пр должно быть меньше единицы. Если же сеть подвержена возникновению состояний, когда много станций одновременно желают передавать, то необходимо уменьшать р. С другой стороны, когда р становиться слишком малым, даже отдельная станция может прождать в среднем (1 — р)/р интервалов Т, прежде чем осуществит передачу. Так если р=0,1, то средний простой, предшествующий передаче, составит 9Т.
Поля кадра Преамбула (7 байтов) и Начальный разграничитель кадров (SFD) (1 байт) в Ethernet используются для синхронизации между передающим и принимающим устройствами. Эти первые восемь байтов фрейма используются, чтобы привлечь внимание узлов получения. По существу первые несколько байтов говорят получателям подготовиться принимать новый кадр.
Поле MAC Адрес Назначения (6 байтов) является идентификатором для предполагаемого получателя. Как Вы можете вспомнить, этот адрес используется Уровнем 2, чтобы помочь устройствам в определении, адресуется ли им данный фрейм. Адрес во фрейме сравнивается с MAC-адресом устройства. Если адреса совпадают, устройство принимает фрейм.
Поле MAC Адрес Назначения (6 байтов) идентифицирует отправляющий NIC или интерфейс фрейма. Коммутаторы также используют этот адрес, чтобы добавить его к своим таблицам сопоставления. Роль коммутаторов будет обсуждаться позже в этой рубрике.
Для любого стандарта IEEE 802.3, более раннего 1997 года, поле Длина определяет точную длину поля данных фрейма. Это позже используется позже в качестве части FCS, чтобы гарантировать, что сообщение было получено корректно. Если цель поля состоит в том, чтобы определить тип, как в Ethernet II, поле Тип описывает, какой реализуется протокол.
Эти два применения поля были официально объединены в 1997 в стандарте IEEE 802.3x, потому что оба применения были распространены. Поле Тип Ethernet II включается в текущее определение фрейма 802.3. Когда узел принимает кадр, он должен исследовать поле Длина, чтобы определить, какой протокол более высокого уровня в нем присутствует. Если значение двух октетов больше или равно, чем шестнадцатеричное число 0x0600 или десятичное число 1536, то содержимое поля Данные декодируется согласно обозначенному типу протокола. Если значение поля меньше или равно, чем шестнадцатеричное число 0x05DC или десятичное число 1500, поле Длина используется для указания использования формата кадра IEEE 802.3. Таким образом различаются кадры Ethernet II и 802.3.
Поля Данные и Набивка (46 - 1500 байтов) содержат инкапсулированные данные от более высокого уровня, который является типичным PDU Уровня 3, обычно, пакетом IPv4. Все фреймы должны быть по крайней мере 64 байта длиной. Если инкапсулируется пакет меньшего размера, используется Набивка, чтобы увеличить размер кадра до этого минимального размера.
IEEE поддерживает список общего назначения типов Ethernet II.
Спецификация 1000BASE-X предусматривает использование среды в виде оптических волокон. В основе этого стандарта лежит технология основанная на стандарте ANSI Fibre Channel (ANSI X3T11).
Технология 1000BASE-X допускает использование трех различных сред передачи, отсюда три разновидности: 1000BASE-SX, 1000BASE-LX и 1000BASE-CX.
Наиболее часто используемая и самая дешевая технология на основе стандартного многомодового волокна. Максимальное расстояние для 1000BASE-SX составляет 220 метров. Используется длина волны 850 нм, S означает Short Wavelength - короткая волна.
Очевидно, что это значение может достигаться только при полнодуплексной передаче данных, так как время двойного оборота сигнала на двух отрезках по 220 метров равно 4400 bt, что превосходит предел 4095 bt даже без учета повторителя и сетевых адаптеров. Для полудуплексной передачи максимальные значения сегментов оптоволоконного кабеля всегда должны быть меньше 100 метров.
Технология 1000BASE-LX обычно используется с одномодовыми волокнами, здесь допустимое расстояние составляет 5 километров. Спецификация 1000Base-LX может работать и на многомодовом кабеле. В этом случае предельное расстояние получается небольшим - 550 метров.
Для спецификации 1000Base-LX в качестве источника излучения всегда применяется полупроводниковый лазер с длиной волны 1300 нм.
Технология 1000BASE-CX использует наиболее своеобразную среду из трех. Это основанное на применении решения, в котором используются кабели, выполненные на основе предварительно закрученных (precrimped) экранированных витых пар.
Соединитель - не простой RJ-45, обычно используемый в 10/100/1000Base-T. Вместо него используется DB-9 или HSSDS, завершающие эти две пары проводов. Технология 1000BASE-CX работает на расстояниях до 25 м, что ограничивает ее применение небольшими площадями.
Спецификация 1000Base-T работает по витой паре категории 5.
Каждая пара кабеля категории 5 имеет гарантированную полосу пропускания до 100 МГц. Для передачи по такому кабелю данных со скоростью 1000 Мбит/с было решено организовать параллельную передачу одновременно по всем 4 парам кабеля.
Это сразу уменьшило скорость передачи данных по каждой паре до 250 Мбит/с.
Для кодирования данных был применен код РАМ5, использующий 5 уровней потенциала: -2, -1, 0, +1, +2. Поэтому за один такт по одной паре передается 2,322 бит информации. Следовательно, тактовую частоту вместо 250 МГц можно снизить до 125 МГц. При этом, если использовать не все коды, а передавать 8 бит за такт (по 4 парам), то выдерживается требуемая скорость передачи в 1000 Мбит/с и еще остается запас неиспользуемых кодов, так как код РАМ5 содержит 5 4 = 625 комбинаций, а если передавать за один такт по всем четырем парам 8 бит данных, то для этого требуется всего 2 8 = 256 комбинаций. Оставшиеся комбинации приемник может использовать для контроля принимаемой информации и выделения правильных комбинаций на фоне шума. Код РАМ5 на тактовой частоте 125 МГц укладывается в полосу 100 МГц кабеля категории 5.
Для распознавания коллизий и организации полнодуплексного режима в спецификации применяется техника, при которой оба передатчика работают навстречу друг другу по каждой из 4-х пар в одном и том же диапазоне частот, так как используют один и тот же потенциальный код РАМ5 (рис. 12). Схема гибридной развязки Н позволяет приемнику и передатчику одного и того же узла использовать одновременно витую пару и для приема и для передачи.
Рисунок 12. Двунаправленная передача по 4 парам UTP cat5 в Gigabit
Для отделения принимаемого сигнала от своего собственного приемник вычитает из результирующего сигнала известный ему свой сигнал. Это не простая операция и для ее выполнения используются специальные цифровые сигнальные процессоры - DSP (Digital Signal Processor).
