IEEE 802.3

Материал из OSZone.net wiki.

История возникновения

Ветераном сетевых технологий (архитектур) является Ethernet - эта спецификация была предложена фирмами DEC, Intel и Xerox в 1980 году и несколько позже на ее основе появился стандарт IEEE 802.3. По первым буквам названий этих фирм образовано сокращение DIX, фигурирующее в описаниях этой технологии. Слово Ether (эфир) в названии технологии обозначает многообразие возможных сред передачи. Первые версии - Ethernet vl.O и Ethernet v2.0 предназначались только для коаксиального кабеля, стандарт IEEE 802.3 (входит в IEEE 802.x) рассматривает и иные варианты среды передачи - витую пару и оптоволокно. Сейчас под названием Ethernet подразумевают стандарт IEEE 802.3 (скорость 10 Мбит/с). В 1995 году был принят стандарт IEEE 802.3u - Fast Ethernet со скоростью 100 Мбит/с, а в 1997 году IEEE 802.3z - Gigabit Ethernet (1000 Мбит/с). Осенью 1999 года принят стандарт IEEE 802.3ab - Gigabit Ethernet на витой паре категории 5. Популярные разновидности Ethernet обозначаются как 10Base2, 100BaseTX и др.

• Здесь первый элемент обозначает скорость передачи, Мбит/с.
• Второй элемент: Base - прямая (немодулированная) передача, Broad - использование широкополосного кабеля с частотным уплотнением каналов.
• Третий элемент: округленная длина кабеля в сотнях метров (10Base2 - 185 м, 10Base5 - 500 м, хотя в 1Base5 длина до 250 м) или среда передачи (Т, ТХ, Т2, Т4 - витые пары, FX, FL, FB, SX и LX - оптоволокно, СХ - твинаксиальный кабель для Gigabit Ethernet). Эти разновидности будут рассмотрены ниже, за исключением "древнего" варианта 1Ва-se5 и 10Broad36 на 75-омном коаксиальном кабеле, которые в настоящее время встречаются редко.

Технология Ethernet базируется на методе множественного доступа к среде передачи с прослушиванием несущей и обнаружением коллизий - CSMA/CD. В общем виде он описан в статье "Методы доступа к среде передачи", подробности метода применительно к Ethernet описаны ниже.

Ethernet 802.3 и модель OSI

Рис. 1. Канальный уровень в эталонной модели OSI

Подробно модель OSI рассмотрена в одноименной статье, но для оценки перспектив технологии Ethernet следует рассмотреть уровень 2 модели OSI, т.е. канальный уровень передачи данных. Как видно на рис. 1, канальный уровень передачи данных имеет два подуровня.

Канальный подуровень (data link sublayer), также известный как уровень MAC (Media Access Control — управление доступом к передающей среде). Характеристики этого подуровня определяются топологией. Например, сети стандарта Token Ring 802.5 используют MAC, отличный от уровня MAC, используемого в сетях стандарта Ethernet 802.3

Подуровень управления логическим соединением (logical link control, LLC). Общий уровень для всех сетей, основанных на стандарте 802 (см. IEEE 802.x). Предоставляет простой протокол передачи фреймов, который обеспечивает передачу фреймов без установления соединения. Механизм уведомления отправителя о том, что фрейм доставлен или не доставлен, отсутствует.

Формат фрейма по стандарту 802.3

Рис. 2. Структура фрейма Ethernet

Структура фрейма, соответствующего стандарту 802.3, представлена на рис. 2. Фрейм Ethernet состоит из следующих полей (см. рис. 2).

• Преамбула. Представляет собой набор из семи октетов (октет содержит 8 битов), т.е. всего 56 бит, поочередно принимающих значение 0 и 1. Каждый октет представляет собой следующую битовую комбинацию: 10101010. Преамбула указывает станции-получателю, что передается фрейм. Следует отметить, что в более поздней Ethernet-технологии, рассчитанной на скорость 10 Мбит/с, тоже используются преамбулы, хотя нужды в них уже нет.
• Флаг начала фрейма (start of frame delimiter, SFD). Представляет собой 8-битовое по­ле, содержащее битовую комбинацию, аналогичную таковой октетов заголовка, но оба последних разряда имеют значение 1 (10101011). Эта комбинация указывает станции-получателю, что вслед за данным полем будет передана содержательная часть фрейма.
• МАС-адрес получателя. Поле адреса приемника имеет 48-разрядное значение, указывающее адрес станции-приемника, для которой предназначен фрейм.
• Адрес отправителя. Поле адреса отправителя представляет собой 48-разрядное значение, указывающее адрес станции-отправителя.
• TLV-кодирование (кодирование тип/длина/значение, type/lenth/value, TLV). Поле TLV использует 16 разрядов, для того чтобы указать, какой тип протокола более высокого уровня инкапсулирован в поле данных или в поле содержимого пакета. Это поле также называют полем типа фрейма Ethernet; его значение указывает на режим работы Ethernet (Ethertype value). В табл. 1 представлены некоторые наиболее часто используемые значения режима работы Ethernet.

Рис. 3. Вычисление значения FCS

• Содержимое или данные. Поле содержимого или данных содержит пакеты протокола более высокого уровня и должно иметь ширину не менее 46 бит и не более 1500 бит. Минимальное значение размера данных или содержимого обусловлено необходимостью предоставления шанса приема пакета всем станциям. Эту проблема рассмотрена далее, в разделе "Диаметр сети Ethernet и ее интервал". Если размер дан­ных или содержимого менее 46 бит, передающая станция дополняет содержимое, чтобы размер поля составлял как минимум 46 бит.

• Контрольная последовательность фрейма (FCS). Поле FCS содержит значение циклического избыточного кода (CRC), вычисленное на основе битовой комбинации фрейма. Когда принимающая станция получает фрейм, она вычисляет его значение CRC и сравнивает с тем, которое содержится в поле FCS. Если эти величины совпадают, считается, что фрейм не содержит ошибок (рис. 3).

Адресация в Ethernet

Адреса Ethernet представляют собой 48-разрядные значения, которые однозначно идентифицируют Ethernet-станции локальной сети. Ethernet-адреса отчасти назначаются в рамках глобальной системы идентификации (курируемой IEEE), отчасти — производителями оборудования. Организация IEEE назначает каждому поставщику 24-разрядный уникальный организационный идентификатор (OUI). Этот идентификатор включается в Ethernet-адрес в качестве первых 24-х разрядов. Благодаря этому гарантируется уникальность Ethernet-адреса. Каждая станция может быть включена в любую сеть мира и быть однозначно идентифицирована. Поскольку при такой системе адресации используется физический интерфейс, ее также называют МАС-адресация. В большинстве случаев МАС-адреса представляются в шестнадцатеричной форме, причем каждый байт отделяется дефисом или двоеточием, либо каждые два байта отделяются точкой.

Например, Ethernet-адрес маршрутизатора Cisco может быть таким: 00-03-6b-48-е9-20 Это же значение можно представить как 00:03:6b:48:е9:20 ИЛИ 0003.6b48.е920 (Организация IEEE назначила для Cisco первые 24 бита, 00-03-6b. Оставшиеся 24 бита, 48-е9-20, назначаются устройству компанией Cisco. Уникальный организационный идентификатор 00-03-6b позволяет данному производителю назначать адреса в диапазоне 00-03-6b-00-00-00-00-03-6b-ff-ff-ff. Это предоставляет в распоряжение производителя 10 в 24 степени, или 16 777 216, возможных адресов.)

Поле адреса назначения фрейма (DA - Destination Address) может содержать адрес одного из трех типов:

• Уникальный МАС-адрес единственного получателя , кадра (unicast adress).
• Широковещательный адрес (broadcast address), указывающий на то, что данный кадр адресован всем увидевшим его абонентам сети.
• Групповой адрес (multicast adress), являющийся признаком, по которому узлы могут обрабатывать интересующие их кадры.

Тип адреса задается его первым байтом:

• 00h — уникальный адрес, остальные байты задают адрес конкретного сетевого адаптера. Уникальность адресации адаптеров, обеспечивается специальным соглашением, по которому каждому производителю аппаратуры выделяется свое значение (одно или несколько) кода, (Manufactorer Id)4| - байты 2-3 (иногда к коду производителя относят и первый байт, имеющий нулевое значение). Байты 4-6 заполняются изготовителем — начнем лежит ответственность за их уникальность (эта информация может рассматриваться как серийный номер платы). Случаются и конфузы, когда незадачливые «подпольные» производители снабжают свои' изделия одинаковыми адресами — больше одного такого устройства в.одной локальной сети работать не будет. Ряд моделей адаптеров (в комплекте, с. драйверами) позволяет задавать МАС-адрес узла и произвольно, но в этом случае ответственность за уникальность адресации ложится на администратора. Признаком «ручного» задания адреса должна быть единица во втором справа разряде первого байта адреса (02-хх-хх-хх-хх-хх).
• FF-FF-FF-FF-FF-FF — широковещательный адрес.
• 01-хх-хх-хх-хх-хх — групповой адрес. Идентификатором группы являются байты 2-6.

Рис. 4. Адресация кадров Ethernet: a — уникальный адрес, б —уникальный произвольный адрес, в — широковещательный, г — групповой

Рис. 4a. Типы адресации.

Широковещательные фреймы принимаются и обрабатываются всеми станциями домена Каждая станция действует в соответствии с алгоритмом, представленным на рис. , чтобы определить, содержит ли фрейм данные, предназначенные именно для нее Станция, получающая "чужие" широковещательные фреймы, использует свой центральный процессор (ЦП) для их обработки, в то время как его должны были бы использовать для своих нужд другие ресурсы станции Процесс обработки таких фреймов может показаться простым делом, однако, как известно, широковещательная лавина может вызвать перегрузку в сети и подключенных к ней станций

Многоадресатные (групповые) фреймы похожи на широковещательные в том смысле, что они позволяют отправителю направлять их сразу группе получателей, а не одному. Благодаря этому процессу в определенных ситуациях снижается нагрузка на сеть за счет того, что станциям не приходится передавать некоторые фреймы несколько раз, чтобы их могли получить все станции, для которых предназначены фреймы. На многоадресатные фреймы должна быть "проведена подписка"; это означает, что станция-приемник должна изъявить желание получать их. Если станция-приемник не подписалась на многоадресатные фреймы, предназначенные определенной группе станций, она отвергает эти фреймы. В качестве примера рассмотрим процесс передачи для станции потокового видеосигнала. Обычно при этом скорость передачи высокая, и если источник передает видеопоток всем станциям широковещательного домена, станция, которая не использует активно ви¬деопоток, тратит большое число тактов ЦП на обработку и отбрасывание содержимого фреймов. Общепринятый механизм работы с содержимым потокового видео — многоадресатное IP-вещание. Фреймы многоадресатного IP-вещания передаются по предназначенным специально для этого IP-адресам, содержащим MAC OUI 01-00-5E. Например, расширенный протокол маршрутизации между шлюзами (EIGPR), или протокол маршрутизации IP, посылает данные об обновлении маршрутов многоадресатпой группе IP 224.0.0.10. Эта группа соответствует Ethernet-адресу 01-00-5E-00-00-0A. Все устройства, которые заинтересованы в получении данных об обновлении маршрутов EIGPR, получают фреймы с этим адресом получателя. Устройства, не подписавшиеся на получение данных об обновлении маршрутов EIGPR, отвергают такой фрейм. Вообще говоря, многоадресатные и широковещательные фреймы могут снизить нагрузку на сеть, позволяя станциям посылать один фрейм многим станциям-приемникам одновременно. Но если передающая станция направляет фреймы небольшому числу приемных или даже одной станции, широковещательный и многоадресатный трафики могут вызвать ненужную загрузку станций, которым эти фреймы не предназначены.

Рис. 4b. Станция определяет, должна ли она обрабатывать фрейм

Одноадресатная рассылка представляет собой простейший и прямой способ передачи данных станции-получателю. Передающая станция направляет фрейм с адресом назначения, соответствующим Ethernet-адресу конкретной станции. Только эта приемная станция получает и обрабатывает фрейм и его содержимое. Ethernet предлагает все три метода адресации, благодаря чему приложения могут использовать наиболее приемлемый для них метод и тем самым снижать нагрузку на сеть.

Особенности реализации CSMA/CD в Ethernet

Каждый узел сети имеет сетевой адаптер — схему, реализующую метод CSMA/ CD на аппаратном (или микропрограммном) уровне. Адаптер имеет приемопередатчик — трансивер, подключенный к общей (разделяемой) среде передачи, в оригинале — к коаксиальному кабелю. Адаптер узла (для краткости — узел), .нуждающийся в передаче информации, прослушивает линию и дожидается «тишины» — отсутствия сигнала (несущей). Далее он формирует кадр (frame, фрейм), начинающийся с синхронизирующей преамбулы, за которой следует поток двоичных данных в самосинхронизирующемся (манчестерском) коде. Все остальные узлы принимают этот сигнал; синхронизируются по преамбуле и декодируют его в последовательность бит, помещаемую в свой приемный буфер. Окончание кадра определяется по пропаданию несущей, и по этому событию приемники анализируют принятый кадр. Этот кадр контролируется на отсутствие ошибок (с помощью контрольной последовательности бит и по длине), после чего в «хорошем» кадре проверяется адресная информация. В каждом кадре имеется заголовок с МАС-адресами узла-источника и узла его назначения. Если адрес назначения кадра соответствует МАС-адресу данного узла, то кадр поступает на дальнейшую обработку протоколами вышестоящих уровней. Кадры, не адресованные данному узлу, им игнорируются,на аппаратном уровне адаптера, не. отвлекая центральный процессор узла. Теперь предположим, что два узла хотят передать данные почти одновременно: оба дождались «тишины» и стали передавать преамбулу. Столкновение двух сигналов — коллизия.— приведет к их искажению, которое обнаруживается передатчиком. Передающие узлы, обнаружив, коллизию, прекращают передачу кадра, после чего повторную попытку передачи сделают через случайный интервал времени (каждый через свой) после освобождения линии. Если повторная попытка также не удалась, делается следующая (и так до 16 раз), причем интервал увеличивается. Приемник обнаруживает коллизию по ненормально короткой длине (в «хорошем» кадре она не может быть меньше 64 байт, не считая преамбулы) и такие кадры отбрасывает. Коллизии являются нормальным, хотя и нежелательным явлением в сети Ethernet. Метод CSMA/CD хорошо работает лишь при общей загрузке канала (среды передачи) до 30 %. При большей загрузке коллизии приводят к прогрессирующей деградации производительности, что является слабым местом технологии Ethernet (любой технологии допускающей коллизии). Несмотря на то, что в принципе Ethernet допускает наличие в одном;сегменте сотен (даже тысяч) узлов, при их высокой активности разумный размер домена коллизий — группы узлов, связанных общей средой (кабелями и повторителями), — ограничен лишь несколькими десятками узлов. Протяженность.домена коллизий ограничивается временем распространения сигнала между самыми удаленными друг от друга узлами. В связи с различными способами физического кодирования сигнала в линии, временные соотношения удобно измерять в битовых интервалах bt (bit time). Битовый интервал – время, необходимое для передачи одного бита, которое при скорости передачи 10 Мбит/с составляет 0,1 мкс. Смежные 8-битные труппы называют как байтами, так и октетами («связисты» более тяготеют к словосочетанию «октет», «компьютерщикам» привычнее - байт).

Двоичная информация передается в Манчестерском коде. В середине каждого битового интервала происходит изменение состояние в линии: от -V к +V для единичного бита, от +V к -V — для нулевого. В начале битового интервала изменение может быть, а может и не быть. Передатчик является источником тока 40 мА, приемник — детектором уровня напряжения с высоким входным сопротивлением. Узел, не передающий в данный момент, вносит нагрузку с сопротивлением более 100 кОм. Приемник и передатчик подключаются к общему коаксиальному кабелю с импедансом 50 Ом, который с обоих концов оканчивается 50-омными терминаторами. Т-образные Ответвления кабеля недопустимы: Два терминатора образуют нагрузку с сопротивлением постоянному току 25 Ом, сучетом сопротивления кабеля эта нагрузка может доходить и до 30 Ом (худший случай, когда узел расположен в середине самого длинного сегмента). На номинальной нагрузке ток 40 мА от одного передатчика вызывает падение напряжения 1 В. Коллизия определяется передающим трансивером по большому уровню (более 1,5 В) сигнала в линии, вызванному одновременной работой двух и более передатчиков. Принятый метод доступа и способ передачи сигналов критичен к импедансу кабеля и терминаторов. При использовании иного, (например, 75 Ом) кабеля и нарушении терминации (не два терминатора или не 50 Ом) сеть практически неработоспособна — из-за большого сопротивления нагрузки сигнал одиночного передатчика будет превышать порог срабатывания детектора коллизий. Порог срабатывания детектора коллизий (1,5-1,6 В) выбирается с таким расчетом, чтобы сигнал от одного передатчика гарантированно не приводил к срабатыванию детектора, а сумма сигналов от двух передатчиков вызывала срабатывание, причем для самых худших случаев. В расчете порогов фигурирует разброс выходных токов передатчиков, максимальный входной ток приёмника (он вызывает смещение уровня сигнала), входное сопротивление приемника, разброс сопротивлений терминаторов, сопротивление сегмента постоянному току (складывается из сопротивления кабеля и коннекторов). С этими расчётами связаны ограничения на количество узлов в сегменте и максимальную длину сегмента, с учетом сопротивления кабелей и коннекторов. Коллизии могут выявляться в двух режимах: в режиме передачи и в режиме приема. При выявлёнии коллизий в режиме передачи (transmit mode collision detection) детектор обязан обнаружить коллизию двух (и более) передатчиков, один из которых - его собственный. Это более легкий (в плане тонкости подбора порогов) случай. При выявлении коллизий в режиме приема (receive mode collision detection) детектор обязан обнаружить коллизии любых двух (и более) передатчиков, при этом «вилка» возможных значений порогов сужается. Стандарт 802.3 для узлов, не являющихся повторителями, допускает оба режима обнаружения. Если все узлы используют обнаружение в режиме передачи, то появляется возможность увеличения длины сегмента (до 300 м в «тонком» варианте и до 1000 м в-«толстом») и числаузлов (до 100 в «тонком»). Однако повторители должны обеспечиватьобнаружение коллизий и в режиме приема, иначе они не смогут сообщитьо коллизии в другой сегмент. В первой версии Ethernet (v1.0) уровни нормальны хсигналов составляли 0 и -1В (full step signal), при этом в линии присутствовала постоянная составляющая сигнала. В последующих версиях стали применять двуполярные сигналыполовинной амплитуды (half step signal), и постоянная составляющая отсутствует.

Кадр начинается с преамбулы (preamble) длиной в 7 байт с кодами 10101010, за которой следует 1-байтный разделитель начала кадра SFD (Start Frame Delimiter) с кодом 10101011. За ним. следует 6-байтный адрес назначения, 6-байтный адрес источника, заголовок, поле данных и 4-байтное поле контрольного CRC- кода, с помощью которого контролируется целостность всего кадра. Заголовок и поле данных в разных типах кадров трактуются по-разному, но их суммарная длина не может быть меньше 48 байт и больше 1502 байт. Если требуется передать кадр с меньшим числом байт, после действительных данных вводится заполнитель (Pad), доводящий размер кадра до минимально разрешенного. Таким образом, размер нормального кадра (включая адресную информацию и CRC-код) может быть в диапазоне 64—1518 байт. Адаптер приемника способен распознавать следующие ошибки кадров (конец кадра определяется по пропаданию несущей):

• Длинный кадр (long, oversized) — более 1518 байт с правильным CRC-кодом. Может порождаться некорректным драйвером адаптера.
• Короткий кадр (runt, undersized) — менее 64 байт с правильным CRC-кодом. Может порождаться некорректным драйвером адаптера. _
• Болтливый» кадр (jabber) — более 1518 байт с неправильным CRC-кодом. Может порождаться неисправным трансивером (адаптером).
• Ошибка выравнивания (alignment error) — кадр, длина которого не кратна байту. Может порождаться неисправным адаптером, трансивером, кабелем.
• Ошибка контрольного кода (СRC error) — кадр правильной длины, но с неправильным CRC-кодом. Может порождаться помехами, слишком большой длиной кабеля.

На вышестоящие протокольные уровни передаются только кадры, не имеющие перечисленных ошибок. Кадр, отсеченный коллизией (менее 64 байт и с неправильным CRC-кодом), ошибочным формально не считается, но и на обработку, в вышестоящие уровни не передается. Между кадрами должен обеспечиваться временной зазор IPG (Inter Packet Gap) длительностью 9,6 мкс — узел не имеет права начать передачу раньше, чем через интервал IPG после определения момента пропадания несущей. Через 0,6 мкс после окончания передачи начинается 1,4-мкс окно тестирования цепей детектора коллизий SQE window. В это время трансивер, передавший кадр, формирует специальный тестовый сигнал SQE (Signal Quality Error), он же heartbit, по которому адаптер определяет работоспособность детектора коллизий. Сигнал SQE в общую среду передачи не поступает, он передается только между трансивером и адаптером одного и того же узла сети. Этот сигнал появился только начиная с версии 2.0, и если трансивер 802.3 или v2.0 подключить к адаптеру vl.0, он может воспринять его как сигнал коллизии и послать jam-последовательность, что приведет к невозможности нормальной передачи данных.

Трансивер, как относительно независимый узел, может (и должен) контролировать работу адаптера. Если он обнаружил «болтливость» адаптера (слишком долгое формирование сигналов передачи), формирование сигналов передачи), он прекращает передачу в линию и блокируется до тех пор, пока адаптер не «помолчит» определенное время. Таким образом обеспечивается защита среды передачи от ее монопольного захвата неисправным узлом. Адаптер может считать, что ему удалось получить доступ к среде передачи, если он не обнаружил коллизий при передаче первых 64 байт кадра, и рапортовать об этом на более высокий протокольный уровень. Если он обнаружил коллизию, то обязан вместо продолжения пакета послать короткую (32-48-битовую) цепочку затор (jam), после чего прекратить передачу. Цель посылки затора — дать возможность всем передатчикам, вовлеченным в коллизию, ее заметить. Посылкой затора обеспечивается оповещение о коллизии узлов, разделенных повторителями. Ситуация, когда коллизия обнаружена позже. 64-байтно-го окна (collision window), называется поздней коллизией (later collision) и является ненормальной для сети Ethernet. Интервал времени до повторной попытки доступа t(RT) определяется через интервал отсрочки TS и случайное число t, зависящее от номера попытки n: t(RT)=TS x t. Интервал отсрочки TS называется также тайм-слотом (time slot) и составляет 512 bt. Число t является случайным целым, равномерно распределенным в диапазоне от 0 до 2 в степени n для п = 1, 2,...10 и в диапазоне от 0 до2 в степени 10 для п > 10. После 16 неудачных попыток передачи адаптер отказывается от дальнейших попыток доступа, сообщая о неудаче на вышестоящие уровни. Максимальное время между двумя повторными попытками может доходить до 2 в 10й степени х TS = 524 288 bt ~ 52,4 мс, минимальное — 0 (сразу после зазора). С механизмом обнаружения коллизии связаны пространственные ограничения на размер домена коллизий, обусловленные конечностью скорости распространения сигнала в среде передачи и задержками, вносимыми повторителями. На рис. 5 приведена временная диаграмма действий двух узлов, заметно удаленных друг от друга.

Рис. 5. Влияние задержек на обнаружение коллизии

Пусть узел А начал передавать кадр в момент t0A, и вскоре появилась потребность в передаче у узла В. Узел В будет видеть линию свободной вплоть до момента t0B, и в момент tlB ему ничто не мешает начать передачу. Вскоре его передатчик обнаружит коллизию, и он вместо продолжения кадра начнет передавать сигнал затора. Передатчик А обнаружит коллизию только в момент tlA и тоже прекратит передачу кадра. Максимальное время, в течение которого передатчик А.будет «беззаботно» передавать, пакет, составит время t(TRAmax) = t(АВ)+ t (ВА) — так называемое время двойного оборота по сети (round trip, time). Это время плюс время на передачу затора должно быть меньше, чем время передачи самого короткого кадра, иначе кадры, оборванные коллизией, приемник будет пытаться трактовать как нормальные. Таким образом, время двойного оборота не должно превышать время передачи кадра минимальной длины. Для надежности берут еще и запас, с учетом которого время двойного оборота не должно превышать 45 мкс. Поскольку сеть симметрична, для определения ограничений достаточно определить время прохождения сигнала между двумя самыми удаленными друг от друга узлами домена коллизий. В это время входит задержка распространения сигнала в кабеле, задержки вносимые повторителями (если они встречаются на пути), и время реакции адаптера на обнаружение коллизии. Это время, не должно превышать .25,6 мкс, а для надежности следует еще оставить запас в 1-5 мкс. Расстояние между максимально удаленными узлами называется диаметром домена коллизий. Скоростные технологии — Fast Ethernet и Gigabit Ethernet — имеют тот же механизм обнаружения коллизий, и из-за более высокой частоты передачи (bt=10 ns в Fast и bt=l ns в Gigabit Ethernet) ограничения на диаметр домена коллизий жестче. Для их смягчения в Gigabit Ethernet пошли на увеличение минимального размера кадра (следует заметить что в Gagabit Ethenet вообще отказались от повторителей, т.е. все соединения по сути работают точка-точка и лишь на канальном уровне реализован механизм широковещания).

Диаметр сети Ethernet и ее интервал. Теоретическое обоснование.

Рис. 6a. Коллизия в широковещательном (на физическом уровне) домене

Диаметр сети определяется расстоянием между Ethernet-станциями, расположен­ными на максимально удаленных (противоположных) сторонах широковещательного домена. Устройства могут быть соединены с использованием хабов, повторителей, коммутаторов или мостов. Правила, установленные для сетей Ethernet стандарта 802.3, требуют, чтобы коллизия была обнаружена в течение времени, которое необходимо для передачи наименьшего по длительности фрейма, допустимого в сети Ethernet. Размер наименьшего допустимого фрейма составляет 64 байт, или 512 бит. С учетом скорости передачи электрического сигнала по проводам и скорости передачи данных (10 Мбит/с) получаем, что максимально допустимая длина провода в сетях Ethernet составляет 2800 м. Время, необходимое фрейму Ethernet для преодоления диаметра се­ти, называется интервалом Ethernet (slot time Ethernet). Рассмотрим рис 6, на котором представлены две станции, расположенные на противоположных сторонах широковещательного домена

• Станция А передает фрейм размером менее 512 бит
• В тот же самый момент времени начинает передачу фрейма станция В
• Станция А передает последний бит фрейма
• Станция А не обнаруживает коллизию при передаче и выгружает фрейм из буфера передачи
• Станция А полагает, что станция назначения переданного фрейма приняла его
• Фрейм станции А вступает в коллизию с фреймом станции В
• Станция А уже выгрузила фрейм из буфера передачи и поэтому не может передать его повторно

Этот сценарий справедлив и для случая, когда протяженность передающей среды превышает 2800 м

Полнодуплексный режим

CSMA/CD — это методология, на которой основаны полудуплексный Ethernet и Fast Ethernet. Как уже говорилось ранее, технология CSMA/CD напоминает селекторное совещание, проводимое с помощью телефонной связи. Каждый участник дол¬жен ждать, пока среда передачи освободится, и только после этого он может говорить. В 1995 году IEEE утвердил стандарт 802.3х, в котором описывается новая методология передачи сигналов в сетях Ethernet, известная как работа в полнодуплексном режиме. Такой режим работы позволяет передавать и принимать сигналы одновременно, благодаря чему более полно используются возможности среды передачи (рис. 7). Однако требования, предъявляемые к станциям, работающим в полнодуплексном режиме, существенно меняются.

Рис. 7. Работа в полнодуплексном режиме

Полнодуплексный режим применим только к устройствам, соединенным по схеме "точка—точка". В домен коллизий может входить только одно другое устройство. Станции, подключенные к концентраторам (хабам), повторителям и т п., не могут функционировать в полнодуплексном режиме. Станции, непосредственно соединенные одна с другой (connected back-to-back) или подключенные на уровне 2, способны работать в полнодуплексном режиме. Способность передавать и одновременно принимать сигналы позволяет станции полнее использовать возможности среды передачи. Доступная станции ширина полосы пропускания теоретически удваивается, поскольку станция имеет полный доступ к среде как при передаче, так и при приеме сигналов. В случае использования технологии 100BASE-TX это дает каждой станции возможность обмениваться информацией с максимальной скоростью до 200 Мбит/с. Для конечной станции, например ПК, это означает, что несколько станций могут передавать и принимать информацию одновременно. Серверы и устройства инфраструктуры сети, такие как повторители и коммутаторы, могут получить такие преимущества от работы в полнодуплексном режиме, которые недоступны конечным станциям. Эти устройства группируют сеансы связи и соединения от периферии сети к ее центру и обратно. Они передают и получают трафик как приема, так и передачи, поэтому эти звенья сети способны получить максимальную пользу от расширения полосы пропускания, обеспечиваемого полнодуплексным режимом работы. Полнодуплексный режим работы позволяет технологиям Ethernet избежать ограничений на расстояние передачи, характерных для полудуплексного режима. Ирония судьбы заключается в том, что преимущества от увеличения расстояния можно реализовать только с помощью волоконно-оптического интерфейса (используемого в технологии 100BASE-FX), поскольку ограничения, накладываемые на максимальное расстояние при использовании кабелей на основе витых пар, обусловлены физическими свойствами среды передачи, а не диаметром сети, который ограничен интервалом Ethernet или Fast Ethernet.

Полнодуплексные устройства не могут работать совместно с полудуплексными. Главная проблема сетей с разнородной средой передачи состоит в возникновении "ошибок дуплексного рассогласования" (duplex mismath errors). Эти ошибки появляются при соединении полудуплексной и полнодуплексных станций. В результате возникает множество ошибок при передаче пакетов, таких как запоздалая коллизия и утерянные пакеты. Полнодуплексные устройства начинают передавать данные, как только могут сделать это, не контролируя наличие несущей в среде передачи. Если полудуплексное устройство передает в это время информацию, возникает коллизия, которую полнодуплексное устройство не обнаруживает. Поэтому так важно сличать режимы работы входящих в сеть устройств.

Разделяемая (общая) среда: 10Base5, 10Base2, 10BaseT, 10BaseF(L)

Ethernet имеет ряд разновидностей, среди которых можно назвать 10BASE2, 10BASE5, 10BASE-T и 10BASE-FL. Каждый из вариантов Ethernet имеет преимущества и недостатки по сравнению с другими типами. Кроме того, некоторые похожие типы сред не упомянуты нами из-за малости инсталляционной базы и отсутствия признания со стороны потребителей. 10BASE-T — наиболее часто используемая Ethernet-среда, представляющая собой витую пару. Она позволяет создавать сети с помощью кабелей на основе неэкранированных витых пар (категории 3), предназначенных для передачи речевого сигнала с использованием только двух пар проводов. Хотя разновидность 10BASE-T требует применения кабелей только категории 3, многие используют в таких сетях кабель категории 5 в расчете на дальнейшую модернизацию сетей до уровней 100BASE-TX или 1000BASE-T. Кроме того, кабели категории 5 имеют более высокие характеристики, что позволяет повысить качество сигнала. Термин 10BASE-T означает способность среды передавать сигналы со скоростью 10 Мбит/с с использованием основной полосы пропускания кабеля на основе витых пар. Разновидность 10BASE-T позволяет передавать сигнал на расстояние, примерно равное 100 м, хотя сама по себе технология Ethernet работоспособна при расстояниях между станциями до 2800 м. Разница в возможностях обусловлена затуханием сигнала в кабелях, созданных на основе неэкранированных витых пар. Станции при использовании 10BASE-T подключаются к объединяющему их устройству (такому как повторитель, концентратор или коммутатор) в соответствии с топологической схемой "звезда", реализуемой на физическом уровне. Хотя физически сеть имеет топологию "звезда", логически она функционирует как шина (рис. 8). Преимущество топологии "звезда" (на физическом уровне) состоит в том, что выход из строя кабеля, соединяющего с сетью одну из станций, не влияет на способность других станций работать в сети.

Рис. 8. Топология 10BASE-T

Прежде чем топология 10BASE-T завоевала популярность, в мире небольших сетей Ethernet тон задавала топология 10BASE2. Под этой аббревиатурой понимается пере¬дача сигнала со скоростью 10 Мбит/с на расстояние до 200 м по коаксиальному кабелю типа RG-58. Хотя цифра "2" в обозначении указывает на 200 м, макси¬мально допустимая длина кабеля для сетей 10BASE2 составляет 185 м. Очевидно, организация IEEE оптимистично округлила цифры в большую сторону. Технология 10BASE2 была популярной потому, что кабель стоил относительно недорого и сеть можно было быстро развернуть. Сигналы в сетях 10BASE2 передаются по кабелю RG-58 или RG-59, и вся сеть физически соединена в одну непрерывную линию. Станции подключены непосредственно к среде передачи с помощью Т-образных соединителей. Повреждение кабеля на любом участке приводит к выходу из строя всей сети. Другим примером общей среды передачи может служить разновидность 10BASE5, при использовании которой сигналы передаются по более толстому коаксиальному кабелю (его диаметр примерно соответствует диаметру садового шланга). Этот кабель стоит намного дороже и применяется редко. Кроме того, при использовании 10BASE5 станции должны быть оснащены недешевыми трансиверами, которые подключаются к среде передачи через ответвления. Как и в случае с 10BASE2, повреждение кабеля на любом участке приводит к выходу из строя всей сети. 10BASE-FL — наиболее часто используемый вариант Ethernet с передачей сигналов по волоконно-оптическому кабелю. Допустимая длина кабеля составляет 2 км, поэтому нередко 10BASE-FL используют для соединения удаленных сетей Ethernet. 10BASE-FL использует два оптических волокна, одно для передачи, другое для приема -оптический кабель

802.3u Fast Ethernet

По мере того как Ethernet становился все более востребованным стандартом передачи данных в сетях, пользователи начинали требовать расширения полосы пропускания. Чтобы успокоить массы, в 1995 году IEEE анонсировала стандарт 802.3u, направленный на продвижение Ethernet со скоростью 100 Мбит/с. Хотя существовало несколько решений для передачи данных со скоростью 100 Мбит/с, наибольшее распространение получили два из них: 100BASE-TX и 100BASE-FX (оба называются стандартом 100BASE-X). Технология 100BASE-X основывается на разработанном не организацией IEEE стандарте FDDI (ANSI X3T9.5). FDDI стал стандартом де-факто еще до появления Fast Ethernet и имел ряд преимуществ перед обычным Ethernet. Технология 100BASE-TX ориентируется на спецификацию 100BASE-X и кабели категории 5 на основе витой пары. 100BASE-TX во многом аналогична технологии 10BASE-T, но, в отличие от нее, рассчитана на использование кабеля категории 5, а не 3. Технология 100BASE-TX рассчитана на передачу в основном высокочастотных сигналов и требует кабелей более высокого качества, нежели кабель категории 3, используемый в сетях 10BASE-T. Ограничения на расстояния при использовании технологии 100BASE-TX точно такие же (100 м), как и в 10BASE-T. Это означает, что в обоих случаях может использоваться одна и та же кабельная инфраструктура (если она выполнена на основе кабелей категории 5 или более высокого качества). Диаметр сети и интервал Ethernet для Fast Ethernet отличаются от таковых для Ethernet 10 Мбит/с. Интервал Ethernet ограничивает максимальный диаметр сети условием, что диаметр не должен превышать расстояние, которое преодолеет 512-битовый фрейм, прежде чем передающая станция закончит его передачу. Системы Fast Ethernet поддерживают 512-битовый размер фрейма в обеспечение обратной совместимости с предыдущим поколением систем Ethernet. Для сетей Ethernet максимальный диаметр составляет 2800 м. В случае 100BASE-TX операция передачи заканчивается в 10 раз быстрее, чем требуется для ее проведения станциями Ethernet. Соответственно, для того чтобы передающая станция успела обнаружить коллизию в ходе передачи 512-битового фрейма, он не должен пройти более чем одну десятую пути, характерного для Ethernet. Этот предел снижает диаметр сети приблизительно до 200 м. Такое сокращение допустимого расстояния не создает какую-либо проблему, поскольку в большинстве систем Fast Ethernet используется технология 100BASE-TX, для которой максимальное расстояние составляет лишь 100 м. Технология 100BASE-FX является разновидностью технологии 100BASE-TX, в которой средой передачи является многомодовое оптическое волокно. Сетевая карта преобразует электрические сигналы в световые импульсы, которые передаются по волокну сетевой карте приемной станции Эта сетевая карта осуществляет обратное преобразование световых импульсов в электрические сигналы, которые и обрабатывает станция-приемник. Технология 100BASE-FX использует такой же механизм кодирования, как и 100BASE-TX, но на этом сходство между ними и заканчивается. Поскольку 100BASE-FX использует в качестве носителя данных свет, ее сигналы не подвержены влиянию электро¬магнитных помех. Благодаря этому можно использовать более совершенные схемы передачи сигналов. Диаметр сети для технологии 100BASE-FX составляет примерно 400 м при работе в полудуплексном режиме. В сетях на основе 100BASE-FX можно использовать также полнодуплексный режим. При работе в полнодуплексном режиме не возникает проблема коллизий, поэтому максимальное расстояние может значительно превышать 400 м. И действительно, при использовании в качестве среды передачи многомодового волокна с отношением диаметров сердцевины/оболочки 62,5/125 мкм 100BASE-FX способна работать в полнодуплексном режиме при расстояниях между станциями до 2 км. По мере необходимости дальнейшего увеличения расстояния можно использовать одномодовое волокно и соответствующие приемопередатчики; в этом случае максимально допустимое расстояние превышает 40 км. Стоимость одномодового волокна и предназначенных для работы с ним приемопередатчиков на порядок превышает стоимость таковых для многомодового, но техническое решение проблемы существует, и по необходимости его можно использовать.

В настоящий момент стоимость оптических модулей для технологии FastEthernet практически сравнялась. Для GigabyteEthernet ситуация идентична вышеописанной. Приведу справочные цены на оптические трансиверы фирмы Cisco:

• GLC-T (Модуль GLC-T стандарта 1000Base-T обеспечивает передачу данных по витой паре категории 5, на расстояние до 100 метров) = 300$
• GLC-SX-MM (Модуль GLC-SX-MM стандарта 1000BASE-SX SFP предназначен для работы по многомодовому оптоволокну на расстояния не более 550 метров.) = 400$
• GLC-LH-SM (Модуль GLC-LH-SM стандарта 1000BASE-LX/LH SFP предназначен для работы по стандартному одномодовому волокну, поддерживается передача данных на расстояния до 10 км.) = 750$
• GLC-ZX-SM (Модуль GLC-ZX-SM cтандарта 1000BASE-ZX SFP работает на стандартном ономодовом оптоволокне на расстояния до 70 км. При использовании оптоволокна повышенного качества протяженность линии может достигать 100 км. Максимальное расстояние зависит от качества оптоволокна, количества сварок, качества разъемов. Если модуль используется на расстояниях меньше, чем 25-30 км, необходимо предусмотреть установку оптических аттенюаторов на обоих концах оптической линии, это позволит избежать перегрузки модуля приемника в конверторе.) = 3000$

Gigabit Ethernet

В результате перехода от Ethernet к Fast Ethernet пользователи получили в десять раз более широкую полосу передачи сигналов. Gigabit Ethernet, с его скоростью 1000 Мбит/с, предлагает в смысле пропорций столь же резкий переход для пользователей, но разница в 900 Мбит/с расширяет возможности гораздо больше, чем разница 90 Мбит/с. Столь существенное расширение полосы пропускания создает cерьезные проблемы для разработчиков, которые должны решить возникающие при таком переходе проблемы, связанные с диаметром сети и разводкой кабелей. Gigabit Ethernet имеет две основные разновидности.

1000BASE-T. Как и технологии 10BASE-T и 100BASE-TX, может использовать кабели с неэкранированными витыми парами длиной не более 100 м.

1000BASE-X имеет несколько вариантов:

• 1000BASE-SX. Волоконно-оптическая среда передачи на основе стандартных многомодовых волокон, предназначенная для использования на коротких расстояниях (до 200 м).
• 1000BASE-LX. Волоконно-оптическая среда передачи на основе одномодовых волокон, предназначенная для использования на расстояниях до 10 км, в некоторых случаях допускает использование многомодовых волокон.
• 1000BASE-CX. Экранированная медная среда, используемая в случаях небольших расстояний между устройствами. 1000BASE-CX применяется при расстояниях не более 25 м. Распространения на практике не получила из-за малой длинны сегмента, дороговизны и редкости медного кабеля.
• 1000BASE-ZX. Работает на стандартном ономодовом оптоволокне на расстояния до 70 км. При использовании оптоволокна повышенного качества протяженность линии может достигать 100 км. Максимальное расстояние зависит потерь в линии т.е. от качества оптоволокна, количества сварок, качества разъемов.
• 1000BASE-BX. Достаточно свежий стандарт IEEE 802.3ah. Используется одновременная двусторонняя передача данных по одному одномодовому волокну на расстояния до 10 километров. Одновременность передачи данных в обе стороны достигается разнесением длин волн передачи и приёма. Как показано на рис. 9, модуль Cisco GLC-BX-D передаёт на длине волны 1.5 нм. и принимает на длине волны 1.3 нм, а модуль GLC-BX-U, соответственно, передаёт на длине волны 1.3 нм и принимает на длине волны 1.5 нм. Эта технология называется волновым мультиплексированием (WDM, Wave Division Multiplexing), а изображённое на рис 9. устройство, позволяющие отделить излучение с длиной волны 1.3 нм от излучения с длиной волны волны 1.5 нм., называют волновым мультиплексором (а также оптическим разделителем или оптическим сплиттером).

Рис. 9. Двустороняя передача по одному одномодовому волокну.

Стандарт 802.3ab 1000BASE-T

Развитие стандарта 1000BASE-T явилось следствием усилий по внедрению стандарта Fast Ethernet. Поиск идеального решения для Fast Ethernet на основе медной среды передачи привел к появлению 100BASE-TX. Хотя теперь уже не все об этом помнят, поначалу было два других стандарта: 100BASE-T4 и 100BASE-T2. Стандарт 100BASE-T4 не завоевал популярности, потому что требовал использования всех 4-х пар кабелей категории 3 или 5. Однако некоторые сети имели разводку, выполненную на основе кабелей категории 3 или 5 только с двумя витыми парами (что вполне соответствует требованиям стандарта 10BASE-T). Недостатком стандарта 100BASE-T4 было также то, что он не поддерживал работу в полнодуплексном режиме. Стандарт 100BASE-T2 был более удобным, поскольку предусматривал передачу данных со скоростью 100 Мбит/с по кабелям категории 3 с использованием только двух витых пар. Проблема состояла в том, что ни один производитель не поддержал этот стандарт. Однако когда пришло время предложить гигабитовое решение для стандарта Ethernet, разработчики позаимствовали все лучшее из всех стандартов на 100 Мбит/с и объединили их в спецификации на технологию 1000BASE-T.

В итоге получилось следующее:

• 1000BaseT — электрический интерфейс на витой паре (4 пары проводов) категории 5е (С 2002 года, категория 5 - "усилена" до 5e и в настоящий в момент в стандартах словосочетание 5e отсутствует) при ограничении на длину линии в 100 м.
• Физическое кодирование — 5-уровневое (РАМ-5). Сигнал передается одновременно по четырем парам проводов, причем для полного дуплекса передача ведется по каждой паре сразу в обоих направлениях. Оконечные цепи выделяют из смеси сигнал противоположного передатчика. Решение этой задачи на сверхвысоких частотах стало возможным благодаря применению современных сигнальных процессоров. Для удовлетворения требованиям к среде передачи рекомендуется применение в кабельной системе компонентов категории 5е (розетки, шнуры, 4-парные кабели стационарной проводки). Количество соединений в канале должно быть минимальным. Для магистральных соединений и соединений близких (и больше) 100 м рекомендуется использование компонентов категории 6.

Стандарт 802.3z 1000BASE-X

Стандарт 802.3z был утвержден в 1999 году и включен в число стандартов 802.3. Спецификация 1000BASE-X предусматривает использование среды в виде оптических волокон. Лежащая в основе этого стандарта технология сама по себе не нова, поскольку основана на стандарте ANSI Fibre Channel (ANSI X3T11). Используется избыточное кодирование 8B/10B, схемы физического уровня "разогнаны" (по сравнению с Fibre Channel) c 800 Mbit до 1 Gbit. Реальная тактовая частота - 1,25 ГГц.

Технология 1000BASE-X допускает использование трех различных сред передачи, отсюда три разновидности: 1000BASE-SX, 1000BASE-LX и 1000BASE-CX (позднее приняты ZX и BX).

• 1000BASE-SX (Short wavelength) - коротковолновая (850 нм) технология на основе стандартного многомодового волокна.

Наиболее часто используется. Самая дешевая технология среди оптических. За дешевизну приходится платить: максимальное расстояние для 1000BASE-SX составляет 220 м (сравните: полнодуплексная технология 100BASE-FX допускает передачу на расстояние 2 км). Несмотря на вышеуказанное "стандартное" ограничение, почти все производители гарантируют работу SX-модулей до 550 м.

• 1000BASE-LX (Long wavelength) - длинноволновая (для ЛВС) 1310 нм, технология. Обычно используется с одномодовыми волокнами, но возможно применение и многомодового (правда в этом случае требуется применение специальных оптических пачкордов). Допустимое расстояние составляет 5 км. для одномодового волокна.
• 1000BASE-LH - вариант 1000BASE-LX увеличенной до 10 км. дальностью. В настоящее время выпускаются совмещенные модули, они так иназываются 1000BASE-LX/LH.
• 1000BASE-CX использует наиболее своеобразную среду из трех. Это основанное на применении меди решение, в котором используются кабели, выполненные на основе предварительно закрученных (precrimped) экранированных витых пар (категория не ниже 7й). Соединитель — не простой RJ-45, обычно используемый в 10/100/1000BASE-T. Вместо него используется или DB-9, или HSSDS, завершающий эти две пары проводов. Технология 1000BASE-CX пригодна для расстояний до 25 м, что ограничивает ее применение небольшими площадками. 1000BASE-CX трудно отнести к популярным, потому что 1000BASE-T выполняет те же функции за меньшую цену и передает сигналы на вчетверо большее расстояние, причем использует для этого стандартную разводку на основе кабелей категории 5 с четырьмя витыми парами.
• 1000BASE-ZX - супердлинноволновая (если мне будет позволено так сказать) работает только на одномодовом волокне и дленне волны 1550 нм. Среда и разьемы технологии обычно те же что и для более "взрослой" технологии SONET/SDH.
• 1000BASE-BX - простейшая реализация WDM-технологии. В отличии от всех остальных оптоволоконных стандартов, прием/передача идут по одному волокну.

Gigabit Ethernet – диаметр сети. Расширение несущей.

С диаметром сети в Gigabit Ethernet возникают проблемы При работе в полудуплексном режиме действует правило Ethernet относительно 512-битового фрейма — фрейма минимально допустимого размера, установленного для того, чтобы все станции могли его "услышать" и послать сообщение об обнаружении коллизии всем станциям, прежде чем передающая станция выгрузит фрейм. Если следовать этой методологии, описанной в нами в предыдущих разделах, то максимальная длина кабелей в системах 1000BASE-T и 1000BASE-X была бы ограничена величиной 20 м, потому что эта среда способна передавать фреймы в 10 раз быстрее, чем ее предшественница (грубо говоря, 200 м, характерные для среды 1000BASE-TX, деленные на 10, дают 20 м). Кабелей длиной 20 м совершенно недостаточно в большинстве ситуаций, поэтому, чтобы преодолеть названный предел, IEEE потребовал для Gigabit Ethernet увеличения минимального размера фрейма в 8 раз — до 4096 бит (512 байт). Вместо того чтобы "набивать" полезную часть фрейма бесполезной информацией, этот стандарт вводит новую характеристику, получившую название расширение несущей (earner extension).

Рис 10. Расширение несущей в Gigabit Ethernet

Предположим, например, что Gigabit Ethernet-станция обнаруживает, что среда передачи свободна и пытается передать 512-битовый фрейм Сетевая плата добавляет к концу фрейма расширение, состоящее из 3584 бит. Другим станциям Gigabit Ethernet известно, что эти биты не несут какой-либо информации, однако считаются частью фрейма (рис. 10). Когда станция-приемник получает такой фрейм, она отбрасывает расширение несущей. Благодаря этому процессу небольшие фреймы можно передавать, не беспокоясь об угрозе возникновения запоздалой коллизии. Метод расширения несущей решает проблему диаметра сети, однако он порождает другую. Для каждого переданного фрейма размером 512 бит передаются также в 7 раз более многочисленные биты расширения несущей. Это — явное расточительство по отношению к полосе пропускания Для снижения "накладных расходов" стандарт предписывает в качестве дополнительного использовать пакетный режим (burst mode), позволяющий решить проблему диаметра сети и неэффективного использования полосы пропускания.

Рис 11. Метод пакетирования в среде Gigabit Ethernet

Пакетный метод позволяет объединять небольшие фреймы; в промежутках между ни¬ми передаются биты расширения несущей. Другие станции ожидают очереди на передачу, "глядя" на межфреймовые пробелы (mterframe gaps), при этом они обнаруживают несущую и воздерживаются от передачи. Стандарт позволяет передавать до 64 Кбит в пакетном режиме, прежде чем будет послан стандартный межфреймовый пробел. При использовании этого механизма вначале передается маленький фрейм размером 4096 бит (включая биты расширения несущей). Это делается во избежание возникновения коллизий с фреймами, переданными другими станциями. После успешного приема первого фрейма последующие межфреймовые пробелы заполняются битами расширения несущей, чтобы другие станции не могли занять среду передачи (рис. 11). Последующие фреймы передаются без битов расширения несущей Станция может пакетировать до 64 Кбит дополнительных фреймов, прежде чем должна освободить среду передачи (рис 11). Этот механизм, хотя и не свободен от недостатков, все же позволяет полнее использовать возможности среды, чем это происходит при использовании только расширения несущей.

Расширение несущей и метод пакетирования необходимо применять только при работе в полудуплексном режиме. При работе в полнодуплексном режиме станциям не приходится конкурировать за контроль над средой передачи, поэтому не приходится беспокоиться об интервале Ethernet и о связанном с ним минимальном размере фрейма.

Автоматическое согласование

Поскольку при использовании Ethernet возможны многочисленные комбинации скоростей передачи и дуплексных режимов, для оценки совместимости используемых устройств был предложен механизм автоматического согласования. Вообще говоря, механизм согласования скоростей и дуплексных режимов был разработан для среды передачи "витая пара", поскольку устройства, ориентированные на использование волоконной оптики, не поддерживают автоматическое согласование; это относится ко всем типам волоконно-оптической среды передачи. Процесс автосогласования начинается, когда устройство определяет активность канала на своем интерфейсе.

• Устройство посылает быстрый канальный импульс (fast link pulse, FLP), оповещая о желательных для себя скорости и режиме передачи В табл. 2 представлена иерархия предпочитаемых режимов передачи.
• Если удаленная станция поддерживает автоматическое согласование, она посылает в ответ быстрый канальный импульс, указывая свои предпочтения.
• Обе станции автоматически выбирают наиболее выгодный режим передачи и ее скорость из числа поддерживаемых обеими станциями.

Если одна станция поддерживает автоматическое согласование, а другая нет, в результате автоматического согласования все равно выбирается среда, устраивающая обе станции Допустим, станция старого образца 10BASE-T может быть подключена к коммутатору, поддерживающему автоматическое согласование. Коммутатор посылает станции 10BASE-T быстрый канальный импульс, предлагая работу в полнодуплексном режиме со скоростью 100 Мбит/с. Станция 10BASE-T "не понимает", что означает полученный импульс, и игнорирует сигналы автосогласования. Иначе гово¬ря, станция 10BASE-T не способна послать быстрый канальный импульс, поскольку не поддерживает технологию автосогласования. Порт коммутатора "понимает", что его быстрый канальный импульс проигнорирован и что, следовательно, он имеет дело со станцией типа 10BASE-T. В данном случае, поскольку станция 10BASE-T не поддерживает автоматическое согласование, коммутатор возвращается к "наименьшему общему знаменателю", которым и является станция 10BASE-T. Хорошо, но что будет, если используется станция 100BASE-TX, работающая в полудуплексном режиме и не поддерживающая автоматическое согласование? Неужели она начнет тупо работать в режиме станции 10BASE-T? Ответ отрицателен. Быстрые канальные импульсы основаны на канальных импульсах сети (network link pulse, NLP), описанных в стандарте Ethernet. Канальные импульсы сети — это периодически посылаемые импульсы, своего рода "пульс" Ethernet. Быстрые канальные импульсы выполняют аналогичные функции в сетях 100BASE-X, только передаются они в 10 раз чаще. Поэтому, хотя станция 100BASE-TX и не поддерживает автоматическое согласование, она посылает быстрые канальные импульсы, указывающие коммутатору, что данная станция способна работать на скорости 100 Мбит/с. Именно благодаря этой информации устройствам, поддерживающим автосогласование, удается определить, с какой станцией они имеют дело, 100BASE-TX или 10BASE-T.

В сетях Gigabit Ethernet автоматическое согласование осуществляется иначе, чем в сетях Ethernet и Fast Ethernet. Использующая в качестве передающей среды медь, технология 1000BASE-T применяет, как и следовало ожидать, тот же механизм, что и другие технологии. Но 1000BASE-X использует иной механизм. Автоматическое согласование зависит от используемой среды передачи, в результате только устройства 1000BASE-X могут автоматически согласовывать работу друг с другом. Поскольку скорость доступа предопределена (т.е. согласование скоростей передачи не производится), единственная возможность — дуплексный режим. В отличие от Ethernet и Fast Ethernet, быстрые канальные импульсы не используются для автоматического согласования и играют незначительную роль по сравнению с управляющими сигналами, что характерно для всех технологий 1000BASE-X, независимо от типа используемой среды.

Несмотря на весьма "радужную" картину описанную выше, фирма Cisco не устает весьма и весьма настойчиво рекомендовать выставлять все параметры магистральных каналов (соединяющих коммутаторы) вручную.

10 GIGABIT ETHERNET 802.3AЕ

27 июня 2002 года принят стандарт IEEE 802.3ae, определяющий параметры оборудования и среды передачи данных со скоростью 10 Гбит/с. Для многомодового волокна 50/125 мкм ограничение длины канала составляет 300 метров, для одномодового - 10 км в окне 1310 нм и 30 км – в диапазоне 1550 нм. Для уже установленных линий 62,5/125 мкм, имеющих худшую полосу пропускания, разработан стандарт передачи с волновым уплотнением. При этом задействованы четыре диапазона со скоростью 3,125 Гбит/с в каждом. Длина канала ограничена величиной 300 метров. Использование симметричных электропроводных кабелей не предусмотрено.

Область применения – локальные, региональные и глобальные сети. Особенности технологии – простота и относительно невысокая стоимость. Совместимость с другими стандартами Ethernet позволяет создавать сети, масштабируемые от 10 до 10 000 Мбит/с в пределах одного предприятия. Принятие данного стандарта позволило преодолеть ситуацию, когда пропускная способность линий магистральной подсистемы СКС не превышала возможностей горизонтальных линий и не зависела от среды передачи.

Прототипы устройств 10GBASE появились в 2000 году, оборудование - в конце 2001 года. Работоспособность устройств 10 Gigabit Ethernet была продемонстрирована в июне 2002 года на презентации в Атланте, США. Оборудование 15 изготовителей было подключено к сети протяженность более 200 км с помощью разнотипных интерфейсов, определенных стандартами 10GBASE-LR, 10GBASE-SR, 10GBASE-ER и 10GBASE-LW. Стабильная работа сети подтвердила совместимость оборудования разных поставщиков. Потребности в повышении пропускной способности магистралей, наличие оборудования и конкурентная среда создают условия для успешного внедрения данной технологии.

Стандарт подготовлен группой компаний – разработчиков активного оборудования и производителей ОВ продукции, объединенных в организацию "10 Gigabit Ethernet Альянс" (10GEA).

Справочные данные. Дальность и скорость.