Исторически первые сети технологии Ethernet были созданы на коаксиальном кабеле диаметром 0,5 дюйма. В дальнейшем были определены и другие спецификации физического уровня, 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.

Стандарт 10Base-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). 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 сигналы, распространяющиеся по кабелю и препятствующие возникновению отраженных сигналов.

Станция должна подключаться к кабелю при помощи приемопередатчика - трансивера (transmitter+Teceiver = transceiver). Трансивер устанавливается непосредственно на кабеле и питается от сетевого адаптера компьютера.

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). Допускается подключение к одному сегменту не более 100 трансиверов, причем расстояние между подключениями трансиверов не должно быть меньше 2,5 м.

Стандарт 10Base-5 определяет возможность использования в сети специального устройства - повторителя (repeator). Повторитель служит для объединения в одну сеть нескольких сегментов кабеля и увеличения тем самым общей длины сети. 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.

Правило применения повторителей в сети Ethernet 10Base-5 носит название "правило 5-4-З" - 5 сегментов, 4 повторителя, 3 нагруженных сегмента.

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 99*3 = 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;

Остановка 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 5 мм («тонкий» Ethernet). Кабель имеет волновое сопротивление 50 Ом.

Максимальная длина сегмента без повторителей составляет 185 м, сегмент должен иметь на концах согласующие терминаторы 50 Ом. Тонкий коаксиальный кабель дешевле толстого, 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-коннектора, 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.

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 5х185 = 925 м. Очевидно, что это ограничение является более сильным, чем общее ограничение в 2500 метров.

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.

Реализация этого стандарта на практике приводит к наиболее простому решению для кабельной сети, так как для соединения компьютеров требуются только сетевые адаптеры, Т-коннекторы и терминаторы 50 Ом. Однако этот вид кабельных соединений наиболее сильно подвержен авариям и сбоям.

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 802.3L.

Сети 10Base-T используют в качестве среды две неэкранированные витые пары (Unshielded Twisted Pair, UTP). Многопарный кабель на основе неэкранированной витой пары категории 3 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 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 Rх сетевого адаптера). 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 Rх -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 концентраторами) 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.

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 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.

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.

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 5*100 = 500 м.

Сети, построенные на основе стандарта 10Base-T, обладают преимуществами по сравнению с коаксиальными вариантами Ethernet. 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.

Появление между конечными узлами активного устройства, которое может контролировать работу узлов и изолировать от сети некорректно работающие, является главным достоинством 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.

Функционально сеть Ethernet на оптическом кабеле состоит из тех же элементов, что и сеть стандарта 10Base-T. Как и в случае витой пары, для соединения адаптера с повторителем используются два оптоволокна.

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.

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

Таблица 2. Параметры спецификаций физического уровня для стандарта Ethernet.

http://pandia.ru/text/78/425/images/image002_150.jpg" width="360" height="240">

Рис. 8. Структура физического уровня Fast Ethernet.

Более сложная структура физического уровня технологии Fast Ethernet вызвана тем, что в ней используются три варианта кабельных систем:

Волоконно-оптический многомодовый кабель, используются два волокна;

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

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

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

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

Для всех трех стандартов справедливы следующие утверждения и характеристики:

Форматы кадров технологии Fast Ethernet не отличаются от форматов кадров технологий 10-мегабитного Ethernet.

Межкадровый интервал (IPG) равен 0,96 мкс, а битовый интервал равен 10 нс. Все временные параметры алгоритма доступа (интервал отсрочки, время передачи кадра минимальной длины и т. п.), измеренные в битовых интервалах, остались прежними, поэтому изменения в разделы стандарта, касающиеся уровня MAC, не вносились.

Признаком свободного состояния среды является передача по ней символа Idle соответствующего избыточного кода (а не отсутствие сигналов, как в стандартах Ethernet 10 Мбит/с). Физический уровень включает три элемента:

Уровень согласования (reconciliation sublayer);

Независимый от среды интерфейс (Media Independent Interface, MII);

Устройство физического уровня (Physical layer device, PHY).

Уровень согласования нужен для того, чтобы уровень MAC, рассчитанный на интерфейс AUI, смог работать с физическим уровнем через интерфейс MII.

Физический уровень 100Base-FX

Эта спецификация определяет работу протокола Fast Ethernet по многомодовому оптоволокну в полудуплексном и полнодуплексном режимах на основе хорошо проверенной схемы кодирования FDDI. Как и в стандарте FDDI, каждый узел соединяется с сетью двумя оптическими волокнами, идущими от приемника (Rх) и от передатчика (Тх).

Между спецификациями 100Base-FX и 100Base-TX есть много общего, поэтому общие для двух спецификаций свойства будут даваться под обобщенным названием 100Base-FX/TX.

В то время как Ethernet со скоростью передачи 10 Мбит/с использует манчестерское кодирование для представления данных при передаче по кабелю, в стандарте Fast Ethernet определен другой метод кодирования - 4В/5В. Этот метод уже показал свою эффективность в стандарте FDDI и без изменений перенесен в спецификацию 100Base-FX/TX. При этом методе каждые 4 бита данных подуровня MAC (называемых символами) представляются 5 битами. Избыточный бит позволяет применить потенциальные коды при представлении каждого из пяти бит в виде электрических или оптических импульсов. Существование запрещенных комбинаций символов позволяет отбраковывать ошибочные символы, что повышает устойчивость работы сетей с 100Base-FX/TX.

Для отделения кадра Ethernet от символов Idle используется комбинация символов Start Delimiter (пара символов J (11000) и К (10001) кода 4В/5В, а после завершения кадра перед первым символом Idle вставляется символ Т.

После преобразования 4-битовых порций кодов MAC в 5-битовые порции физического уровня их необходимо представить в виде оптических или электрических сигналов в кабеле, соединяющем узлы сети. Спецификации 100Base-FX и 100Base-TX используют для этого различные методы физического кодирования - NRZI и MLT-3 соответственно (как и в технологии FDDI при работе через оптоволокно и витую пару).

Физический уровень 100Base-TX

В качестве среды передачи данных спецификация 100Base-TX использует кабель UTP категории 5 или кабель STP Type 1. Максимальная длина кабеля в обоих случаях - 100 м.

Основные отличия от спецификации 100Base-FX - использование метода MLT-3 для передачи сигналов 5-битовых порций кода 4В/5В по витой паре, а также наличие функции автопереговоров (Auto-negotiation) для выбора режима работы порта. Схема автопереговоров позволяет двум соединенным физически устройствам, которые поддерживают несколько стандартов физического уровня, отличающихся битовой скоростью и количеством витых пар, выбрать наиболее выгодный режим работы. Обычно процедура автопереговоров происходит при подсоединении сетевого адаптера, который может работать на скоростях 10 и 100 Мбит/с, к концентратору или коммутатору.

Физический уровень 100Base-T4

Спецификация 100Base-T4 была разработана для того, чтобы можно было использовать для высокоскоростного Ethernet имеющуюся проводку на витой паре категории 3. Эта спецификация позволяет повысить общую пропускную способность за счет одновременной передачи потоков бит по всем 4 парам кабеля.

Спецификация 100Base-T4 появилась позже других спецификаций физического уровня Fast Ethernet. Разработчики этой технологии в первую очередь хотели создать физические спецификации, наиболее близкие к спецификациям 10Base-T и 10Base-F, которые работали на двух линиях передачи данных: двух парах или двух волокнах. Для реализации работы по двум витым парам пришлось перейти на более качественный кабель категории 5.

В то же время разработчики конкурирующей технологии 100VG-AnyLAN изначально сделали ставку на работу по витой паре категории 3; самое главное преимущество состояло не столько в стоимости, а в том, что она была уже проложена в подавляющем числе зданий. Поэтому после выпуска спецификаций 100Base-TX и 100Base-FX разработчики технологии Fast Ethernet реализовали свой вариант физического уровня для витой пары категории 3.

Вместо кодирования 4В/5В в этом методе используется кодирование 8В/6Т, которое обладает более узким спектром сигнала и при скорости 33 Мбит/с укладывается в полосу 16 МГц витой пары категории 3 (при кодировании 4В/5В спектр сигнала в эту полосу не укладывается). Каждые 8 бит информации уровня MAC кодируются шестью троичными цифрами (ternary symbols), то есть цифрами, имеющими три состояния. Каждая троичная цифра имеет длительность 40 нс. Группа из шести троичных цифр затем передается на одну из трех передающих витых пар, независимо и последовательно.

Четвертая пара всегда используется для прослушивания несущей частоты в целях обнаружения коллизии. Скорость передачи данных по каждой из трех передающих пар равна 33,3 Мбит/с, поэтому общая скорость протокола 100Base-T4 составляет 100 Мбит/с. В то же время из-за принятого способа кодирования скорость изменения сигнала на каждой паре равна всего 25 Мбод, что и позволяет использовать витую пару категории 3.

2.2. Отличия Fast Ethernet от Ethernet

Все отличия технологии Fast Ethernet от Ethernet сосредоточены на физическом уровне (рис. 10). Уровни MAC и LLC в Fast Ethernet остались абсолютно теми же, и их описывают прежние главы стандартов 802.3 и 802.2.

Рис. 10. Отличия технологии Fast Ethernet от технологии Ethernet

Коаксиальный кабель, давший миру первую сеть Ethernet, в число разрешенных сред передачи данных новой технологии Fast Ethernet не попал. Это общая тенденция многих новых технологий , поскольку на небольших расстояниях витая пара категории 5 позволяет передавать данные с той же скоростью, что и коаксиальный кабель, но сеть получается более дешевой и удобной в эксплуатации. На больших расстояниях оптическое волокно обладает гораздо более широкой полосой пропускания, чем коаксиал, а стоимость сети получается ненамного выше, особенно если учесть высокие затраты на поиск и устранение неисправностей в крупной кабельной коаксиальной системе.

Отказ от коаксиального кабеля привел к тому, что сети Fast Ethernet всегда имеют иерархическую древовидную структуру, построенную на концентраторах, как и сети 10Base-T/10Base-F. Основным отличием конфигураций сетей Fast Ethernet является сокращение диаметра сети примерно до 200 м, что объясняется уменьшением времени передачи кадра минимальной длины в 10 раз за счет увеличения скорости передачи в 10 раз по сравнению с 10-мегабитным Ethernet.

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

Технология Fast Ethernet, как и все некоаксиальные варианты Ethernet"а рассчитана на подключение конечных узлов - компьютеров с соответствующими сетевыми адаптерами - к многопортовым концентраторам-повторителям или коммутаторам.

Правила корректного построения сегментов сетей Fast Ethernet включают:

Ограничения на максимальные длины сегментов, соединяющих DTE c DTE;

Ограничения на максимальные длины сегментов, соединяющих DTE с портом повторителя;

Ограничения на максимальный диаметр сети;

Ограничения на максимальное число повторителей и максимальную длину сегмента, соединяющего повторители.

2VG-AnyLAN

Технология 100VG-AnyLAN отличается от классического Ethernet в значительно большей степени, чем Fast Ethernet. Главные отличия перечислены ниже.

Используется другой метод доступа Demand Priority, который обеспечивает более справедливое распределение пропускной способности сети по сравнению с методом CSMA/CD. Кроме того, этот метод поддерживает приоритетный доступ для синхронных приложений.

Кадры передаются не всем станциям сети, а только станции назначения.

В сети есть выделенный арбитр доступа - концентратор, и это заметно отличает данную технологию от других, в которых применяется распределенный между станциями сети алгоритм доступа.

Поддерживаются кадры двух технологий - Ethernet и Token Ring (именно это обстоятельство дало добавку AnyLAN в названии технологии).

Данные передаются одновременно по 4 парам кабеля UTP категории 3. По каждой паре данные передаются со скоростью 25 Мбит/с, что в сумме дает 100 Мбит/с.

В отличие от Fast Ethernet в сетях 100VG-AnyLAN нет коллизий, поэтому удалось использовать для передачи все четыре пары стандартного кабеля категории 3. Для кодирования данных применяется код 5В/6В, который обеспечивает спектр сигнала в диапазоне до 16 МГц (полоса пропускания UTP категории 3) при скорости передачи данных 25 Мбит/с. Метод доступа Demand Priority основан на передаче концентратору функций арбитра, решающего проблему доступа к разделяемой среде. Сеть 100VG-AnyLAN состоит из центрального концентратора, называемого также корневым, и соединенных с ним конечных узлов и других концентраторов.

Допускаются три уровня каскадирования. Каждый концентратор и сетевой адаптер l00VG-AnyLAN должен быть настроен либо на работу с кадрами Ethernet, либо с кадрами Token Ring, причем одновременно циркуляция обоих типов кадров не допускается.

Концентратор циклически выполняет опрос портов. Станция, желающая передать пакет, посылает специальный низкочастотный сигнал концентратору, запрашивая передачу кадра и указывая его приоритет.

В сети 100VG-AnyLAN используются два уровня приоритетов - низкий и высокий. Низкий уровень приоритета соответствует обычным данным (файловая служба, служба печати и т. п.), а высокий приоритет соответствует данным, чувствительным к временным задержкам (например, мультимедиа). Приоритеты запросов имеют статическую и динамическую составляющие, то есть станция с низким уровнем приоритета, долго не имеющая доступа к сети, получает высокий приоритет.

Если сеть свободна, то концентратор разрешает передачу пакета. После анализа адреса получателя в принятом пакете концентратор автоматически отправляет пакет станции назначения. Если сеть занята, концентратор ставит полученный запрос в очередь, которая обрабатывается в соответствии с порядком поступления запросов и с учетом приоритетов. Если к порту подключен другой концентратор, то опрос приостанавливается до завершения опроса концентратором нижнего уровня. Станции, подключенные к концентраторам различного уровня иерархии, не имеют преимуществ по доступу к разделяемой среде, так как решение о предоставлении доступа принимается после проведения опроса всеми концентраторами опроса всех своих портов.

Остается неясным вопрос - каким образом концентратор узнает, к какому порту подключена станция назначения? Во всех других технологиях кадр просто передавался всем станциям сети, а станция назначения, распознав свой адрес, копировала кадр в буфер . Для решения этой задачи концентратор узнает адрес MAC станции в момент физического присоединения ее к сети кабелем. Если в других технологиях процедура физического соединения выясняет связность кабеля (link test в технологии 10Base-T), тип порта (технология FDDI), скорость работы порта (процедура auto-negotiation в Fast Ethernet), то в технологии 100VG-AnyLAN концентратор при установлении физического соединения выясняет адрес MAC станции. И запоминает его в таблице адресов MAC, аналогичной таблице моста/коммутатора. Отличие концентратора 100VG-AnyLAN от моста/коммутатора в том, что у него нет внутреннего буфера для хранения кадров. Поэтому он принимает от станций сети только один кадр, отправляет его на порт назначения и, пока этот кадр не будет полностью принят станцией назначения, новые кадры концентратор не принимает. Так что эффект разделяемой среды сохраняется. Улучшается только безопасность сети - кадры не попадают на чужие порты, и их труднее перехватить.

Технология 100VG-AnyLAN поддерживает несколько спецификаций физического уровня. Первоначальный вариант был рассчитан на четыре неэкранированные витые пары категорий 3,4,5. Позже появились варианты физического уровня, рассчитанные на две неэкранированные витые пары категории 5, две экранированные витые пары типа 1 или же два оптических многомодовых оптоволокна.

Важная особенность технологии 100VG-AnyLAN - сохранение форматов кадров Ethernet и Token Ring. Сторонники 100VG-AnyLAN утверждают, что этот подход облегчит межсетевое взаимодействие через мосты и маршрутизаторы, а также обеспечит совместимость с существующими средствами сетевого управления, в частности с анализаторами протоколов.

Несмотря на много хороших технических решений, технология 100VG-AnyLAN не нашла большого количества сторонников и значительно уступает по популярности технологии Fast Ethernet. Возможно, это произошло из-за того, что технические возможности поддержки разных типов трафика у технологии АТМ существенно шире, чем у 100VG-AnyLAN. Поэтому при необходимости тонкого обеспечения качества обслуживания применяют (или собираются применять) технологию АТМ. А для сетей, в которых нет необходимости поддерживать качество обслуживания на уровне разделяемых сегментов, более привычной оказалась технология Fast Ethernet. Тем более что для поддержки очень требовательных к скорости передачи данных приложений имеется технология Gigabit Ethernet, которая, сохраняя преемственность с Ethernet и Fast Ethernet, обеспечивает скорость передачи данных 1000 Мбит/с.

В заключение приведу таблицу, составленную компанией Hewlett-Packard, в которой приводятся результаты сравнения технологий 10Base-T,

100Base-T и 100VG-AnyLAN.

Характеристика	10Base-T	100Base-T	100VG-AnyLAN
Топология
Максимальный диаметр сети
Каскадирование концентраторов	Да; 3 уровня	Два концентратора максимум	Да; 5 уровней
Кабельная система
Оптоволокно
Производительность
При длине сети 100 м	80% (теоретическая)	80% (теоретическая)	95% (продемонстрированная)
При длине сети 2500 м	80% (теоретическая)	Не поддерживается	80% (продемонстрированная)
Технология
Кадры IEEE 802.3
Кадры 802.5
Метод доступа		CSMA/CD + подуровень согласования (Reconciliation sublayer)

Выводы

Потребности в высокоскоростной и в то же время недорогой технологии для подключения к сети мощных рабочих станций привели в начале 90-х годов к созданию инициативной группы, которая занялась поисками нового Ethernet - такой же простой и эффективной технологии, но работающей на скорости 100 Мбит/с.

Специалисты разбились на два лагеря, что, в конце концов, привело к появлению двух стандартов, принятых осенью 1995 года:

комитет 802.3 утвердил стандарт Fast Ethernet, почти полностью повторяющий технологию Ethernet 10 Мбит/с

а специально созданный комитет 802.12 утвердил стандарт технологии 100VG-AnyLAN, которая сохраняла формат кадра Ethernet, но существенно изменяла метод доступа.

Технология Fast Ethernet сохранила в неприкосновенности метод доступа CSMA/CD, оставив в нем тот же алгоритм и те же временные параметры в битовых интервалах (сам битовый интервал уменьшился в 10 раз). Все отличия Fast Ethernet от Ethernet проявляются на физическом уровне.

В стандарте Fast Ethernet определены три спецификации физического уровня: 100Base-TX для 2-х пар UTP категории 5 или 2-х пар STP Type 1 (метод кодирования 4В/5В), l00Base-FX для многомодового волоконно-оптического кабеля с двумя оптическими волокнами (метод кодирования 4В/5В) и 100Base-T4, работающую на 4-х парах UTP категории 3, но использующую одновременно только три пары для передачи, а оставшуюся - для обнаружения коллизии (метод кодирования 8В/6Т).

Максимальный диаметр сети Fast Ethernet равен приблизительно 200 м, а более точные значения зависят от спецификации физической среды. В домене коллизий Fast Ethernet допускается не более одного повторителя класса I (позволяющего транслировать коды 4В/5В в коды 8В/6Т и обратно) и не более двух повторителей класса II (не позволяющих выполнять трансляцию кодов).

Технология Fast Ethernet при работе на витой паре позволяет за счет процедуры автопереговоров двум портам выбирать наиболее эффективный режим работы - скорость 10 Мбит/с или 100 Мбит/с, а также полудуплексный или полнодуплексный режим.

В технологии 100VG-AnyLAN арбитром, решающим вопрос о предоставлении станциям доступа к разделяемой среде, является концентратор, поддерживающий метод Demand Priority - приоритетные требования. Метод Demand Priority оперирует с двумя уровнями приоритетов, выставляемыми станциями, причем приоритет станции, долго не получающей обслуживания, повышается динамически.

Концентраторы VG могут объединяться в иерархию, причем порядок доступа к среде не зависит от того, к концентратору какого уровня подключена станция, а зависит только от приоритета кадра и времени подачи заявки на обслуживание.

Технология 100VG-AnyLAN поддерживает кабель UTP категории 3, причем для обеспечения скорости 100 Мбит/с передает данные одновременно по 4-м парам. Имеется также физический стандарт для кабеля UTP категории 5, кабеля STP Type 1 и волоконно-оптического кабеля.

Fast Ethernet - спецификация IEЕЕ 802.3 u официально принятая 26 октября 1995 года определяет стандарт протокола канального уровня для сетей работающих при использовании как медного, так и волоконно-оптического кабеля со скоростью 100Мб/с. Новая спецификация является наследницей стандарта Ethernet IEЕЕ 802.3, используя такой же формат кадра, механизм доступа к среде CSMA/CD и топологию звезда. Эволюция коснулась нескольких элементов конфигурации средств физического уровня, что позволило увеличить пропускную способность, включая типы применяемого кабеля, длину сегментов и количество концентраторов.

Структура Fast Ethernet

Чтобы лучше понять работу и разобраться во взаимодействии элементов Fast Ethernet обратимся к рисунку 1.

Рисунок 1. Система Fast Ethernet

Подуровень управления логической связью (LLC)

В спецификации IEEE 802.3 u функции канального уровня разбиты на два подуровня: управления логической связью (LLC) и уровня доступа к среде (MAC), который будет рассмотрен ниже. LLC, функции которого определены стандартом IEEE 802.2, фактически обеспечивает взаимосвязь с протоколами более высокого уровня, (например, с IP или IPX), предоставляя различные коммуникационные услуги:

• Сервис без установления соединения и подтверждений приема. Простой сервис, который не обеспечивает управления потоком данных или контроля ошибок, а также не гарантирует правильную доставку данных.
• Сервис с установлением соединения. Абсолютно надежный сервис, который гарантирует правильную доставку данных за счет установления соединения с системой-приемником до начала передачи данных и использования механизмов контроля ошибок и управления потоком данных.
• Сервис без установления соединения с подтверждениями приема. Средний по сложности сервис, который использует сообщения подтверждения приема для обеспечения гарантированной доставки, но не устанавливает соединения до передачи данных.

На передающей системе данные, переданные вниз от протокола Сетевого уровня, вначале инкапсулируются подуровнем LLC. Стандарт называет их Protocol Data Unit (PDU, протокольный блок данных). Когда PDU передается вниз подуровню MAC, где снова обрамляется заголовком и постинформацией, с этого момента технически его можно назвать кадром. Для пакета Ethernet это означает, что кадр 802.3 помимо данных Сетевого уровня содержит трехбайтовый заголовок LLC. Таким образом, максимально допустимая длина данных в каждом пакете уменьшается с 1500 до 1497 байтов.

Заголовок LLC состоит из трех полей:

В некоторых случаях кадры LLC играют незначительную роль в процессе сетевого обмена данными. Например, в сети, использующей TCP/IP наряду с другими протоколами, единственная функция LLC может заключаться в предоставлении возможности кадрам 802.3 содержать заголовок SNAP, подобно Ethertype указывающий протокол Сетевого уровня, которому должен быть передан кадр. В этом случае все PDU LLC задействуют ненумерованный информационный формат. Однако другие высокоуровневые протоколы требуют от LLC более расширенного сервиса. Например, сессии NetBIOS и несколько протоколов NetWare используют сервисы LLC с установлением соединения более широко.

Заголовок SNAP

Принимающей системе необходимо определить, какой из протоколов Сетевого уровня должен получить входящие данные. В пакетах 802.3 в рамках PDU LLC применяется еще один протокол, называемый Sub - Network Access Protocol (SNAP, протокол доступа к подсетям).

Заголовок SNAP имеет длину 5 байт и располагается непосредственно после заголовка LLC в поле данных кадра 802.3, как показано на рисунке. Заголовок содержит два поля.

Код организации. Идентификатор организации или производителя - это 3-байтовое поле, которое принимает такое же значение, как первые 3 байта МАС-адреса отправителя в заголовке 802.3.

Локальный код. Локальный код - это поле длиной 2 байта, которое функционально эквивалентно полю Ethertype в заголовке Ethernet II.

Подуровень согласования

Как было сказано ранее Fast Ethernet это эволюционировавший стандарт. MAC рассчитанный на интерфейс AUI, необходимо преобразовать для интерфейса MII, используемого в Fast Ethernet, для чего и предназначен этот подуровень.

Управление доступом к среде ( MAC)

Каждый узел в сети Fast Ethernet имеет контроллер доступа к среде (Media Access Controller - MAC). MAC имеет ключевое значение в Fast Ethernet и имеет три назначения:

Самым важным из трех назначений MAC является первое. Для любой сетевой технологии, которая использует общую среду, правила доступа к среде, определяющие, когда узел может передавать, являются ее основной характеристикой. Разработкой правил доступа к среде занимаются несколько комитетов IЕЕЕ. Комитет 802.3, часто именуемый комитетом Ethernet, определяет стандарты на ЛВС, в которых используются правила под названием CSMA/ CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection - множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов).

CSMS/ CD являются правилами доступа к среде как для Ethernet, так и для Fast Ethernet. Именно в этой области две технологии полностью совпадают.

Поскольку все узлы в Fast Ethernet совместно используют одну и ту же среду, передавать они могут лишь тогда, когда наступает их очередь. Определяют эту очередь правила CSMA/ CD.

CSMA/ CD

Контроллер MAC Fast Ethernet, прежде чем приступить к передаче, прослушивает несущую. Несущая существует лишь тогда, когда другой узел ведет передачу. Уровень PHY определяет наличие несущей и генерирует сообщение для MAC. Наличие несущей говорит о том, что среда занята и слушающий узел (или узлы) должны уступить передающему.

MAC, имеющий кадр для передачи, прежде чем передать его, должен подождать некоторый минимальный промежуток времени после окончания предыдущего кадра. Это время называется межпакетной щелью (IPG, interpacket gap) и продолжается 0,96 микросекунды, то есть десятую часть от времени передачи пакета обычной Ethernet со скоростью 10 Мбит/с (IPG - единственный интервал времени, всегда определяемый в микросекундах, а не во времени бита) рисунок 2.

Рисунок 2. Межпакетная щель

После окончания пакета 1 все узлы ЛВС обязаны подождать в течение времени IPG, прежде чем смогут передавать. Временной интервал между пакетами 1 и 2, 2 и 3 на рис. 2 - это время IPG. После завершения передачи пакета 3 ни один узел не имел материала для обработки, поэтому временной интервал между пакетами 3 и 4 длиннее, чем IPG.

Все узлы сети должны соблюдать эти правила. Даже если на узле имеется много кадров для передачи и данный узел является единственным передающим, то после пересылки каждого пакета он должен выждать в течение, по крайней мере, времени IPG.

Именно в этом заключается часть CSMA правил доступа к среде Fast Ethernet. Короче говоря, многие узлы имеют доступ к среде и используют несущую для контроля ее занятости.

В ранних экспериментальных сетях применялись именно эти правила, и такие сети работали очень хорошо. Тем не менее, использование лишь CSMA привело к возникновению проблемы. Часто два узла, имея пакет для передачи и прождав время IPG, начинали передавать одновременно, что приводило к искажению данных с обеих сторон. Такая ситуация называется коллизией (collision) или конфликтом.

Для преодоления этого препятствия ранние протоколы использовали достаточно простой механизм. Пакеты делились на две категории: команды и реакции. Каждая команда, переданная узлом, требовала реакции. Если в течение некоторого времени (называемого периодом тайм-аута) после передачи команды реакция на нее не была получена, то исходная команда подавалась вновь. Это могло происходить по нескольку раз (предельное количество тайм-аутов), прежде чем передающий узел фиксировал ошибку.

Эта схема могла прекрасно работать, но лишь до определенного момента. Возникновение конфликтов приводило к резкому снижению производительности (измеряемой обычно в байтах в секунду), потому что узлы часто простаивали в ожидании ответов на команды, никогда не достигающие пункта назначения. Перегрузка сети, увеличение количества узлов напрямую связаны с ростом числа конфликтов и, следовательно, со снижением производительности сети.

Проектировщики ранних сетей быстро нашли решение этой проблемы: каждый узел должен устанавливать факт потери переданного пакета путем обнаружения конфликта (а не ожидать реакции, которая никогда не последует). Это означает, что потерянные в связи с конфликтом пакеты должны быть немедленно переданы вновь до окончания времени тайм-аута. Если узел передал последний бит пакета без возникновения конфликта, значит, пакет передан успешно.

Метод контроля несущей хорошо сочетать с функцией обнаружения коллизий. Коллизии все еще продолжают происходить, но на производительности сети это не отражается, так как узлы быстро избавляются от них. Группа DIX, разработав правила доступа к среде CSMA/CD для Ethernet, оформила их в виде простого алгоритма - рисунок 3.

Рисунок 3. Алгоритм работы CSMA/CD

Устройство физического уровня ( PHY)

Поскольку Fast Ethernet может использовать различный тип кабеля, то для каждой среды требуется уникальное предварительное преобразование сигнала. Преобразование также требуется для эффективной передачи данных: сделать передаваемый код устойчивым к помехам, возможным потерям, либо искажениям отдельных его элементов (бодов), для обеспечения эффективной синхронизации тактовых генераторов на передающей или приемной стороне.

Подуровень кодирования ( PCS)

Кодирует/декодирует данные поступающие от/к уровня MAC с использованием алгоритмов или .

Подуровни физического присоединения и зависимости от физической среды ( PMА и PMD)

Подуровни РМА и PMD осуществляют связь между подуровнем PSC и интерфейсом MDI, обеспечивая формирование в соответствии с методом физического кодирования: или .

Подуровень автопереговоров (AUTONEG)

Подуровень автопереговоров позволяет двум взаимодействующим портам автоматически выбирать наиболее эффективный режим работы: дуплексный или полудуплексный 10 или 100 Мб/с.

Физический уровень

Стандарт Fast Ethernet определяет три типа среды передачи сигналов Ethernet со скоростью 100 Мбит/с.

• 100Base-TX - две витые пары проводов. Передача осуществляется в соответствии со стандартом передачи данных в витой физической среде, разработанным ANSI (American National Standards Institute - Американский национальный институт стандартов). Витой кабель для передачи данных может быть экранированным, либо неэкранированным. Использует алгоритм кодирования данных 4В/5В и метод физического кодирования MLT-3.
• 100Base-FX - две жилы, волоконно-оптического кабеля. Передача также осуществляется в соответствии со стандартом передачи данных в волоконно-оптической среде, которой разработан ANSI. Использует алгоритм кодирования данных 4В/5В и метод физического кодирования NRZI.

Спецификации 100Base-TX и 100Base-FX известны также как 100Base-X

• 100Base-T4 - это особая спецификация, разработанная комитетом IEEE 802.3u . Согласно этой спецификации, передача данных осуществляется по четырем витым парам телефонного кабеля, который называют кабелем UTP категории 3. Использует алгоритм кодирования данных 8В/6Т и метод физического кодирования NRZI.

Дополнительно стандарт Fast Ethernet включает рекомендации по использованию кабеля экранированной витой пары категории 1, который является стандартным кабелем, традиционно использующимся в сетях Token Ring. Организация поддержки и рекомендации по использованию кабеля STP в сети Fast Ethernet предоставляют способ перехода на Fast Ethernet для покупателей, имеющих кабельную разводку STP.

Спецификация Fast Ethernet включает также механизм автосогласования, позволяющий порту узла автоматически настраиваться на скорость передачи данных - 10 или 100 Мбит/с. Этот механизм основан на обмене рядом пакетов с портом концентратора или переключателя.

Среда 100Base-TX

В качестве среды передачи 100Base-TX применяются две витые пары, причем одна пара используется для передачи данных, а вторая - для их приема. Поскольку спецификация ANSI TP - PMD содержит описания как экранированных, так и неэкранированных витых пар, то спецификация 100Base-TX включает поддержку как неэкранированных, так и экранированных витых пар типа 1 и 7.

Разъем MDI (Medium Dependent Interface)

Интерфейс канала 100Base-TX, зависящий от среды, может быть одного из двух типов. Для кабеля на неэкранированных витых парах в качестве разъема MDI следует использовать восьмиконтактный разъем RJ 45 категории 5. Этот же разъем применяется и в сети 10Base-T, что обеспечивает обратную совместимость с существующими кабельными разводками категории 5. Для экранированных витых пар в качестве разъема MDI необходимо использовать разъем STP IBM типа 1, который является экранированным разъемом DB9. Такой разъем обычно применяется в сетях Token Ring.

Кабель UTP категории 5(e)

В интерфейсе среды UTP 100Base-TX применяются две пары проводов. Для минимизации перекрестных наводок и возможного искажения сигнала оставшиеся четыре провода не должны использоваться с целью передачи каких-либо сигналов. Сигналы передачи и приема для каждой пары являются поляризованными, причем один провод передает положительный (+), а второй - отрицательный (-) сигнал. Цветовая маркировка проводов кабеля и номера контактов разъема для сети 100Base-TX приведены в табл. 1. Хотя уровень PHY 100Base-TX разрабатывался после принятия стандарта ANSI TP-PMD, однако номера контактов разъема RJ 45 были изменены для согласования со схемой разводки, уже использующейся в стандарте 10Base-T. В стандарте ANSI TP-PMD контакты 7 и 9 применяются для приема данных, в то время как в стандартах 100Base-TX и 10Base-T для этого предназначены контакты 3 и 6. Такая разводка обеспечивает возможность использования адаптеров 100Base-TX вместо адаптеров 10 Base - T и их подключения к тем же кабелям категории 5 без изменений разводки. В разъеме RJ 45 используемые пары проводов подключаются к контактам 1, 2 и 3, 6. Для правильного подключения проводов следует руководствоваться их цветовой маркировкой.

Таблица 1. Назначение контактов разъема MDI кабеля UTP 100Base-TX

Кабель STP типа 1

Стандарт 100Base-TX также поддерживает кабель на экранированных витых парах с полным сопротивлением 150 Ом. Этот кабель распространен не так широко, как кабель на неэкранированных витых парах, и обычно имеется в зданиях, оборудованных сетью Token Ring. Кабели на экранированных витых парах прокладывают согласно спецификации ANSI TP-PMD для кабеля на экранированных витых парах и используют для них девятиконтактный разъем типа D. В разъеме DB-9 применяются контакты 1, 2 и 5, 9. Если плата NIC не имеет разъема DB-9, то к концам кабеля STP необходимо подключить штекер RJ 45 категории 5 (табл. 2).

Таблица 2. Назначение контактов разъема MDI кабеля STP 100Base-TX

Номер контакта	Название сигнала	Цвет провода
		Оранжевый
	Не используется
	Не используется
	Не используется
	Передача +
	Не используется
	Не используется
	Передача -
		Оболочка кабеля

Среда 100Base-FX

В сетях стандарта 100Base-FX используется волоконно-оптический, длиной сегмента до 412 метров. Стандарт определяет, что в кабеле имеются две жилы многомодового волокна - одна для передачи, а другая для приема данных. Если NIC рабочей станции функционирует в полнодуплексном режиме, то длина кабеля может составить до 2000 метров. Волоконно-оптические кабели бывают двух категорий: многомодовые и одномодовые.

Многомодовый кабель

В волоконно-оптическом кабеле этого типа используется волокно с сердцевиной диаметром 50, либо 62,5 микрометра и внешней оболочкой толщиной 125 микрометров. Такой кабель называется многомодовым оптическим кабелем с волокнами 50/125 (62,5/125) микрометров. Для передачи светового сигнала по многомодовому кабелю применяется светодиодный приемопередатчик с длиной волны 850 (820) нанометров. Если многомодовый кабель соединяет два порта переключателей, работающих в полнодуплексном режиме, то он может иметь длину до 2000 метров.

Одномодовый кабель

Одномодовый волоконно-оптический кабель имеет меньший, чем у многомодового, диаметр сердцевины - 10 микрометра, и для передачи по одномодовому кабелю используется лазерный приемопередатчик, что в совокупности обеспечивает эффективную передачу на большие дистанции. Длина волны передаваемого светового сигнала близка к диаметру сердцевины, который равен 1300 нанометрам. Это число известно как длина волны нулевой дисперсии. В одномодовом кабеле дисперсия и потери сигнала очень незначительны, что позволяет передавать световые сигналы на большие расстояния, нежели в случае применения многомодового волокна.

Разъем MDI

Для подключения волоконно-оптического кабеля на данный момент созданы разъемы следующих типов:

• MIC (Media Interface) используется в сетях FDDI. Для того чтобы обеспечить правильное подключение кабелей FDDI, разъемы помечаются буквами А, В, М и S. Буква обозначает, куда подключать штекер: к узлу или к определенному порту концентратора FDDI. Если в качестве разъема MDI 100Base-FX используется MlC FDDI, то спецификация IEЕЕ требует, чтобы этот разъем был маркирован буквой М;
• SC - дуплексный разъем, единственный рекомендованный комитетом IEEE для употребления в сети 100Base-FX Fast Ethernet;
• MT-RJ;

Среда 100 Base-T4

100Base-T4 является единственным полностью новым стандартом уровня PHY в рамках стандарта 100Base-T, поскольку 100Base-TX и 100Base-FX были разработаны с использованием стандартов ANSI FDDI. Стандарт 100Base-T4 предназначался для организаций, у которых уже проложены кабели UTP категории 3 или 4. Спецификация 100Base-T4 поощряет использование кабелей категории 5 везде, где это возможно. Если в стенах здания проложены кабели UTP категории 3 или 4, то дополнительное использование кабелей категории 5 позволяет улучшить качество сигнала.

Разъем MDI

В сетях 100Base-T4 применяется неэкранированная витая пара категорий 3, 4 или 5. Используются четыре пары проводов, а это означает, что задействованы все восемь контактов разъема RJ45. Одна из четырех пар служит для передачи данных, другая - для приема, а две оставшиеся - для двунаправленной передачи данных. Три из четырех пар используются для одновременной передачи данных, а четвертая - для обнаружения коллизий. Один провод каждой пары передает положительный (+) сигнал, а другой - отрицательный (-) сигнал. Кабель 100Base-T4 не допускает работу в полнодуплексном режиме. Необходимо правильно подключить провода к контактам разъемов и не расплетать пары проводов.

Таблица 3. Назначение контактов разъема МDI кабеля UTP 100Base-T4

Ограничения длины кабеля

В сетях 100Base-TX уровень сигнала не так важен по сравнению со временем распространения сигналов. Механизм CSMA/CD в сети Fast Ethernet работает так же, как в сети Ethernet 10 Мбит/с, и пакеты имеют аналогичный размер, но их скорость распространения через среду передачи в десять раз выше. Из-за того, что механизм детектирования коллизий остался тем же, системы все еще должны выявлять возникновение коллизии прежде, чем истечет время состязания (то есть прежде, чем будут переданы 512 байт данных). Таким образом, поскольку трафик распространяется быстрее, временной зазор уменьшается, и максимальная длина сети также должна быть сокращена, чтобы выявление коллизий происходило безошибочно. По этой причине предельная общая длина сети 100Base-TX примерно составляет 210 м. Это значение необходимо соблюдать намного более жестко, чем максимум в 500 м для сети 10Base-T.

Когда планируется сеть, необходимо учитывать тот факт, что требование стандарта Fast Ethernet к максимальной длине сегмента кабеля в 100 м включает в себя всю длину кабеля, соединяющего компьютер с концентратором. Если кабельная разводка внутренняя и заканчивается на стороне компьютера настенной розеткой, а на стороне концентратора - коммутационной панелью, то в длину сегмента необходимо включить коммутационные кабели, соединяющие компьютер с розеткой и коммутационную панель с концентратором. Спецификация рекомендует брать максимальную длину для сегмента кабеля внутренней разводки, равной 90 м, оставляя 10 м для коммутационных кабелей.

Конфигурации концентраторов

Так как предельно допустимая длина для сегмента 100Base-TX составляет те же 100 м, что и для 10Base-T, ограничения на общую длину сети сказываются на конфигурации ретранслирующих концентраторов, используемых для соединения сегментов. Стандарт Fast Ethernet описывает два типа концентраторов для сетей 100Base-TX: класс I и класс II. Каждый концентратор Fast Ethernet должен иметь римскую цифру I или II, идентифицирующую его класс.

Концентраторы класса I предназначены для поддержки сегментов кабеля с различными типами передачи сигналов. 100Base-TX и 100Base-FX используют один и тот же тип передачи сигналов, в то время как 100Base-T4 - отличный от него (поскольку присутствуют две двунаправленные пары). Концентратор класса I содержит схему, которая переводит входящие сигналы 100Base-TX, 100Base-FX и 100Base-T4 в общий цифровой формат, а затем снова осуществляет конверсию в сигнал, соответствующий выходному порту концентратора. Указанные преобразования приводят к тому, что концентратор класса 1 вносит сравнительно большую задержку времени, и поэтому на пути между двумя любыми узлами в сети не должно быть больше одного концентратора этого класса.

Концентраторы класса II могут поддерживать сегменты кабеля только с одинаковыми средами передачи сигналов. Так как преобразований не производится, концентратор немедленно передает входящие данные на выходные порты. Из-за того, что временная задержка короче, между двумя любыми узлами в сети может быть установлено до двух концентраторов класса II, но при этом все сегменты должны использовать идентичную среду передачи сигналов. Это означает, что концентратор класса II может поддерживать либо 100Base-TX и 100Base-FX одновременно, либо отдельно 100Base-T4.

Дополнительные ограничения длины сегментов также основываются на сочетании используемых в сети сегментов кабеля и концентраторов. Чем сложнее становится конфигурация сети, тем меньше должен быть максимальный размер области коллизий. Эти ограничения собраны в табл. 4.

Таблица 4. Нормативы для многосегментной конфигурации Fast Ethernet

	Один концентра­тор класса I	Один концентра­тор класса II	Два концентра­тора класса II
Все сегменты медные (100Base-TX или 100Base-T4)	200 метров	200 метров	205 метров
Все сегменты оптоволоконные (100Base-FX)		320 метров	228 метров
Один сегмент 100Base-T4 и один сегмент 100Base-FX		Не применяется	Не применяется
Один сегмент 100BaseTX и один сегмент 100Base-FX	260,8 метра	308,8 метра	216,2 метра

Следует помнить, что в сетевой конфигурации, содержащей два концентратора класса II, самое длинное соединение между двумя узлами в действительности включает три кабеля: два кабеля для присоединения узлов к соответствующим им концентраторам и один кабель для соединения двух концентраторов между собой. Например, стандарт предполагает, что дополнительные 5 м, учтенные в ограничении длины для всех медных сетей, будут выбраны при соединении двух концентраторов (рис. 8.13). Однако на практике три кабеля могут быть любой длины, но их общая длина не должна превышать 205 м.

Преодоление ограничений топологии

Одним из наиболее часто критикуемых ограничений Fast Ethernet является диаметр сети, который не должен превышать 205 метров. Такое ограничение затрудняет прямую замену некоторых сетей Ethernet на Fast Ethernet. Поставщики других технологий, в частности Token Ring, 100 VG AnyLAN и FDDI, подчеркивают, что их технологии могут поддерживать сети гораздо большего диаметра. Это действительно так и первоначально ограничивало применение Fast Ethernet сетями рабочих групп и подразделений. Тем не менее такое ограничение топологии может быть легко преодолено путем использования переключателей и полнодуплексных волоконно-оптических связей.

Способом преодоления ограничений топологии является разбиение единой области коллизий на несколько при помощи переключателя. Диаметр сети Fast Ethernet, использующей медный кабель и повторитель Класса I, не может превысить 200 метров. Если мы добавим к этой сети единственный переключатель и установим повторители на различные порты, то максимальный диаметр полной переключаемой ЛВС возрастет до 400 метров.

Реальное преимущество сети с переключателями проявляется тогда, когда несколько переключателей соединяются полнодуплексным волоконно-оптическим кабелем, длина которого может достигать 2000 метров (в случае применения многомодового кабеля. При применении одномодового кабеля расстояния достигают десятков километров и зависят от типа используемого оборудования). Этот прием прекрасно подходит для опорной сети.

Взаимодействие узлов сети

Узлы взаимодействуют друг с другом путем обмена кадрами (frames). В Fast Ethernet кадр является базовой единицей обмена по сети - любая информация, передаваемая между узлами, помещается в поле данных одного или нескольких кадров. Пересылка кадров от одного узла к другому возможна лишь при наличии способа однозначной идентификации всех узлов сети. Поэтому каждый узел в ЛВС имеет адрес, который называется его МАС-адресом. Этот адрес уникален: никакие два узла локальной сети не могут иметь один и тот же МАС-адрес. Более того, ни в одной из технологий ЛВС (за исключением ARCNet) никакие два узла в мире не могут иметь одинаковый МАС-адрес. Любой кадр содержит, по крайней мере, три основные порции информации: адрес получателя, адрес отправителя и данные. Некоторые кадры имеют и другие поля, но обязательными являются лишь три перечисленные. На рисунке 4 отражена структура кадра Fast Ethernet.

Рисунок 4. Структура кадра Fast Ethernet

• адрес получателя - указывается адрес узла, получающего данные;
• адрес отправителя - указывается адрес узла, пославшего данные;
• длина/Тип (L/T - Length/Type) - содержится информация о типе передаваемых данных;
• контрольная сумма кадра (PCS - Frame Check Sequence) - предназначена для проверки корректности полученного принимающим узлом кадра.

Минимальный объем кадра составляет 64 октета, или 512 битов (термины октет и байт - синонимы). Максимальный объем кадра равен 1518 октетам, или 12144 битам.

Адресация кадров

Каждый узел в сети Fast Ethernet имеет уникальный номер, который называется МАС-адресом (MAC address) или адресом узла. Этот номер состоит из 48 битов (6 байтов), присваивается сетевому интерфейсу во время изготовления устройства и программируется в процессе инициализации. Поэтому сетевые интерфейсы всех ЛВС, за исключением ARCNet, которая использует 8-битовые адреса, присваиваемые сетевым администратором, имеют встроенный уникальный МАС-адрес, отличающийся от всех остальных МАС-адресов на Земле и присваиваемый производителем по согласованию с IEEE.

Чтобы облегчить процесс управления сетевыми интерфейсами, IEEE было предложено разделить 48-битовое поле адреса на четыре части, как показано на рисунке 5. Первые два бита адреса (биты 0 и 1) являются флажками типа адреса. Значение флажков определяет способ интерпретации адресной части (биты 2 - 47).

Рисунок 5. Формат МАС-адреса

Бит I/G называется флажком индивидуального/группового адреса и показывает, каким (индивидуальным или групповым) является адрес. Индивидуальный адрес присваивается только одному интерфейсу (или узлу) в сети. Адреса, у которых бит I/G установлен в 0 - это МАС-адреса или адреса узла. Если бит I/O установлен в 1, то адрес относится к групповым и обычно называется многопунктовым адресом (multicast address) или функциональным адресом (functional address). Групповой адрес может быть присвоен одному или нескольким сетевым интерфейсам ЛВС. Кадры, посланные по групповому адресу, получают или копируют все обладающие им сетевые интерфейсы ЛВС. Многопунктовые адреса позволяют послать кадр подмножеству узлов локальной сети. Если бит I/O установлен в 1, то биты от 46 до 0 трактуются как многопунктовый адрес, а не как поля U/ L, OUI и OUA обычного адреса. Бит U/L называется флажком универсального/местного управления и определяет, как был присвоен адрес сетевому интерфейсу. Если оба бита, I/O и U/ L, установлены в 0, то адрес является уникальным 48-битовым идентификатором, описанным ранее.

OUI (organizationally unique identifier - организационно уникальный идентификатор). IEEE присваивает один или несколько OUI каждому производителю сетевых адаптеров и интерфейсов. Каждый производитель отвечает за правильность присвоения OUA (organizationally unique address - организационно уникальный адрес), который должно иметь любое созданное им устройство.

При установке бита U/L адрес является локально управляемым. Это означает, что он задается не производителем сетевого интерфейса. Любая организация может создать свой МАС-адрес сетевого интерфейса путем установки бита U/ L в 1, а битов со 2-го по 47-й в какое-нибудь выбранное значение. Сетевой интерфейс, получив кадр, первым делом декодирует адрес получателя. При установлении в адресе бита I/O уровень MAC получит этот кадр лишь в том случае, если адрес получателя находится в списке, который хранится на узле. Этот прием позволяет одному узлу отправить кадр многим узлам.

Существует специальный многопунктовый адрес, называемый широковещательным адресом. В 48-битовом широковещательном IEEE-адресе все биты установлены в 1. Если кадр передается с широковещательным адресом получателя, то все узлы сети получат и обработают его.

Поле Длина/Тип

Поле L/T (Length/Type - Длина/Тип) применяется в двух различных целях:

• для определения длины поля данных кадра, исключая любое дополнение пробелами;
• для обозначения типа данных в поле данных.

Значение поля L/T, находящееся в интервале между 0 и 1500, является длиной поля данных кадра; более высокое значение указывает на тип протокола.

Вообще поле L/T является историческим осадком стандартизации Ethernet в IEEE, породившим ряд проблем с совместимостью оборудования выпущенного до 1983. Сейчас Ethernet и Fast Ethernet никогда не использует поля L/T. Указанное поле служит лишь для согласования с программным обеспечением, обрабатывающим кадры (то есть с протоколами). Но единственным подлинно стандартным предназначением поля L/T является использование его в качестве поля длины - в спецификации 802.3 даже не упоминается о возможном его применении как поля типа данных. Стандарт гласит: "Кадры со значением поля длины, превышающим определенное в пункте 4.4.2, могут быть проигнорированы, отброшены или использованы частным образом. Использование данных кадров выходит за пределы этого стандарта".

Подводя итог сказанному, заметим, что поле L/T является первичным механизмом, по которому определяется тип кадра. Кадры Fast Ethernet и Ethernet, в которых значением поля L/T задается длина (значение L/T 802.3, кадры, в которых значением этого же поля устанавливается тип данных (значение L/T > 1500), называются кадрами Ethernet - II или DIX .

Поле данных

В поле данных содержится информация, которую один узел пересылает другому. В отличие от других полей, хранящих весьма специфические сведения, поле данных может содержать почти любую информацию, лишь бы ее объем составлял не менее 46 и не более 1500 байтов. Как форматируется и интерпретируется содержимое поля данных, определяют протоколы.

Если необходимо переслать данные длиной менее 46 байтов, уровень LLC добавляет в их конец байты с неизвестным значением, называемые незначащими данными (pad data). В результате длина поля становится равной 46 байтам.

Если кадр имеет тип 802.3, то в поле L/T указывается значение объема действительных данных. Например, если пересылается 12-байтовое сообщение, то поле L/T хранит значение 12, а в поле данных находятся и 34 добавочных незначащих байта. Добавление незначащих байтов инициирует уровень LLC Fast Ethernet, и обычно реализуется аппаратно.

Средства уровня MAC не задают содержимое поля L/T - это делает программное обеспечение. Установка значения этого поля почти всегда производится драйвером сетевого интерфейса.

Контрольная сумма кадра

Контрольная сумма кадра (PCS - Frame Check Sequence) позволяет убедиться в том, что полученные кадры не повреждены. При формировании передаваемого кадра на уровне MAC используется специальная математическая формула CRC (Cyclic Redundancy Check - циклический избыточный код), предназначенная для вычисления 32-разрядного значения. Полученное значение помещается в поле FCS кадра. На вход элемента уровня MAC, вычисляющего CRC, подаются значения всех байтов кадра. Поле FCS является первичным и наиболее важным механизмом обнаружения и исправления ошибок в Fast Ethernet. Начиная с первого байта адреса получателя и заканчивая последним байтом поля данных.

Приложение A

Значения полей DSAP и SSAP

Значения DSAP/SSAP			Описание
			Indiv LLC Sublayer Mgt
			Group LLC Sublayer Mgt
			SNA Path Control
			Reserved (DOD IP)
			ISO CLNS IS 8473

Поле управления

По значениям префиксных битов выделяют три формата поля контроля:

• Информационный формат начинается с бита со значением 0.
• Управляющий формат имеет двухбитовый префикс со значением 1 и 0.
• Ненумерованный формат начинается с двух битов со значением 1.

Остальные биты более конкретно указывают на функции PDU. При более сложном обмене данными, включающем сервис на основе установления соединения, ненумерованные кадры содержат команды, которые позволяют установить соединение с другой системой и разорвать его по окончании передачи данных. Команды, передаваемые в ненумерованных кадрах, имеют нижеприведенные наименования.

• UI (Unnumbered Information, передача данных ). Используется сервисом без установления соединения и подтверждения для отправки кадров данных.
• XID (Exchange Identification, идентификация). Вырабатывается сервисами с установлением соединения и без такового в качестве, как команды, так и ответа.
• TEST (диагностика). Применяется как команда и как ответ при выполнении теста методом петлевого контроля (loopback test) LLC.
• FRMR (Frame Reject, отклонение кадра). Выдается как ответ в случае возникновения сбоев в работе протокола.
• SABME (Set Asynchronous Balanced Mode Extended, запрос на соединение ). Посылается как запрос на установление соединения.
• UA (Unnumbered Acknowledgment, подтверждение). Является положительным ответом на сообщение SABME.
• DM (Disconnect Mode, задержка соединения и разъединения). Возвращается как отрицательный ответ на сообщение SABME.
• DISC (Disconnect, разъединение). Передается как запрос на завершение соединения. В качестве ответа ожидается либо UA, либо DM.

Информационные кадры содержат действительные данные, передаваемые как во время сеансов с установлением соединения, так и сессий без установления соединения с подтверждениями, а также сообщения подтверждения приема, возвращаемые принимающей системой. Только два типа сообщений передаются в информационных кадрах: N(S) и N(R) для отправленных и полученных сообщений соответственно. Обе системы отслеживают последовательность номеров пакетов, которыми они обмениваются. Сообщение N(S) информирует получателя о том, какое количество пакетов из последовательности было уже отправлено, а сообщение N(R) позволяет отправителю иметь информацию о том, какой из пакетов ожидается для приема.

Управляющие кадры используются только сервисами с установлением соединения. Они обеспечивают обслуживание соединения, выраженное в форме сервисов управления потоком данных и коррекции ошибок. Соответствующие управляющие сообщения имеют ниже перечисленные типы.

• RR (Receiver Ready, готовность приемника). Используется для информирования отправителя о том, что соединение действующее, и получатель готов к приему следующего кадра.
• RNR (Receiver Not Ready, приемник не готов ). Требует от отправителя не передавать пакеты до тех пор, пока получатель не отправит сообщение RR. 1
• REJ (Frame Reject, данные отброшены). Сообщает передающей системе об ошибке и требует повторной передачи всех кадров, отправленных noj еле определенного момента.

Алгоритм 4 B/5B

Выполняет предобразование 4 Bit-to-5 Bit. Полученная избыточность кода позволяет использовать специальные комбинации для управления потоком и проверки подлинности принятой комбинации. Однако применение такого кода увеличивает частоту передаваемого сигнала до 125 МГц.

Таблица комбинации управления потоком

Таблица кодировки символов

Линейный код	Символ

Принятые комбинации несоответствующие вышеописанным считаются ошибочными.

Алгоритм 8B/6T

Алгоритм кодирования 8В6Т преобразует восьмибитовый октет данных (8B) в шестибитовый тернарный символ (6T). Кодовые группы 6Т предназначены для передачи параллельно по трем витым парам кабеля, поэтому эффективная скорость передачи данных по каждой витой паре составляет одну треть от 100 Мбит/с, то есть 33,33 Мбит/с. Скорость передачи тернарных символов по каждой витой паре составляет 6/8 от 33,3 Мбит/с, что соответствует тактовой частоте 25 МГц. Именно с такой частотой работает таймер интерфейса МП. В отличие от бинарных сигналов, которые имеют два уровня, тернарные сигналы, передаваемые по каждой паре, могут иметь три уровня.

Метод кодирования NRZI

NRZI - Non Return to Zero Invertive (инверсное кодирование без возврата к нулю) Этот метод является модифицированным методом Non Return to Zero (NRZ), где для представления 1 и 0 используются потенциалы двух уровней. В коде NRZ I также используется 2 потенциала, но его текущее значение зависит от предыдущего. Если текущее значение бита “1”, то полученный потенциал должен быть инверсией от предыдущего, если значение бита “0” - такой же.

Поскольку код незащищен от долгих последовательностей “нулей” или “единиц”, то это может привести к проблемам синхронизации. Поэтому перед передачей, заданную последовательность битов рекомендуется предварительно закодировать кодом предусматривающим скремблирование (скремблер предназначен для придания свойств случайности передаваемой последовательности данных с целью облегчения выделения тактовой частоты приемником).

Метод кодирования MLT-3

MLT-3 Multi Level Transmission - 3 (многоуровневая передача) - немного схож с кодом NRZ, но в отличии от последнего имеет три уровня сигнала.

Единице соответствует переход с одного уровня сигнала на другой, причем изменение уровня сигнала происходит последовательно с учетом предыдущего перехода. При передаче “нуля” сигнал не меняется.

Этот код, так же как и NRZ нуждается в предварительном кодировании.

Составлено по материалам:

1. Лаем Куин, Ричард Рассел "Fast Ethernet";
2. К. Заклер "Компьютерные сети";
3. В.Г. и Н.А. Олифер "Компьютерные сети";

Технология Ethernet в своем стремительном развитии уже давно перешагнула уровень локальных сетей. Она избавилась от коллизий, получила полный дуплекс и гигабитные скорости. Широкий спектр экономически выгодных решений позволяет смело внедрять Ethernet на магистралях. По мнению экспертов, мировой рынок Ethernet операторского класса - скромной технологии офисных сетей, используемой сегодня в основных телекоммуникационных сетях, - переживает настоящий бум. Как бы широко ни распространился Ethernet, по мнению аналитиков, все еще впереди.

Технология Ethernet в своем стремительном развитии уже давно перешагнула уровень локальных сетей. Она избавилась от коллизий, получила полный дуплекс и гигабитные скорости. Широкий спектр экономически выгодных решений позволяет смело внедрять Ethernet на магистралях.

Metro Ethernet строится по трехуровневой иерархической схеме и включает ядро, уровень агрегации и уровень доступа. Ядро сети строится на высокопроизводительных коммутаторах и обеспечивает высокоскоростную передачу трафика. Уровень агрегации также создается на коммутаторах и обеспечивает агрегацию подключений уровня доступа, реализацию сервисов и сбор статистики. В зависимости от масштаба сети ядро и уровень агрегации могут быть объединены. Каналы между коммутаторами могут строиться на основе различных высокоскоростных технологий, чаще всего Gigabit Ethernet и 10-Gigabit Ethernet. При этом необходимо учитывать требования по восстановлению сети при сбое и структуру построения ядра. В ядре и на уровне агрегации обеспечивается резервирование компонентов коммутаторов, а также топологическое резервирование, что позволяет продолжать предоставление услуг при одиночных сбоях каналов и узлов. Существенного сокращения времени на восстановление можно добиться только за счет применения технологии канального уровня. Поддержка технологии EAPS — собственного протокола компании Extreme Networks, предназначеного для поддержки топологии, исключающей зацикливание трафика и ее перестроение в случае нарушений в кольцевых сетях Ethernet. Cети, использующие EAPS, обладают всеми положительным свойствами сетей SONET/SDH и Resilient Packet Ring (RPR) включая время восстановления топологии =50ms.

Уровень доступа строится по кольцевой или звездообразной схеме на коммутаторах Metro Ethernet для подключения корпоративных клиентов, офисных зданий, а также домашних и SOHO клиентов. На уровне доступа реализуется полный комплекс мер безопасности, обеспечивающих идентификацию и изоляцию клиентов, защиту инфраструктуры оператора.

Обзор технологии Ethernet

Ethernet (эзернет, от лат. aether — эфир) — пакетная технология компьютерных сетей.

Стандарты Ethernet определяют проводные соединения и электрические сигналы на физическом уровне, формат пакетов и протоколы управления доступом к среде — на канальном уровне модели OSI. Ethernet в основном описывается стандартами IEEE группы 802.3. Ethernet стал самой распространённой технологией ЛВС в середине 90-х годов прошлого века, вытеснив такие технологии, как Arcnet, FDDI и Token ring.

В стандарте первых версий (Ethernet v1.0 и Ethernet v2.0) указано, что в качестве передающей среды используется коаксиальный кабель, в дальнейшем появилась возможность использовать кабель витая пара и кабель оптический. Метод управления доступом — множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий (CSMA/CD, Carrier Sense Multiply Access with Collision Detection), скорость передачи данных 10 Мбит/с, размер пакета от 72 до 1526 байт, описаны методы кодирования данных. Количество узлов в одном разделяемом сегменте сети ограничено предельным значением в 1024 рабочих станции (спецификации физического уровня могут устанавливать более жёсткие ограничения, например, к сегменту тонкого коаксиала может подключаться не более 30 рабочих станций, а к сегменту толстого коаксиала — не более 100). Однако сеть, построенная на одном разделяемом сегменте, становится неэффективной задолго до достижения предельного значения количества узлов.

В 1995 году принят стандарт IEEE 802.3u Fast Ethernet со скоростью 100 Мбит/с, а позже был принят стандарт IEEE 802.3z Gigabit Ethernet со скоростью 1000 Мбит/с. Появилась возможность работы в режиме полный дуплекс.

Формат кадра

Существует несколько форматов Ethernet-кадра.

Первоначальный Variant I (больше не применяется).
Ethernet Version 2 или Ethernet-кадр II, ещё называемый DIX (аббревиатура первых букв фирм-разработчиков DEC, Intel, Xerox) — наиболее распространена и используется по сей день. Часто используется непосредственно протоколом интернет.

Novell — внутренняя модификация IEEE 802.3 без LLC (Logical Link Control).
Кадр IEEE 802.2 LLC.
Кадр IEEE 802.2 LLC/SNAP.
В качестве дополнения, Ethernet-кадр кадр может содержать тег IEEE 802.1Q, для идентификации VLAN к которой он адресован и IEEE 802.1p для указания приоритетности.
Некоторые сетевые карты Ethernet, производимые компанией Hewlett-Packard использовали при работе кадр формата IEEE 802.12, соответствующий стандарту 100VG-AnyLAN.
Разные типы кадра имеют различный формат и значение MTU.

Разновидности Ethernet

В зависимости от скорости передачи данных и передающей среды существует несколько вариантов технологии. Независимо от способа передачи стек сетевого протокола и программы работают одинаково практически во всех нижеперечисленных вариантах.

В этом разделе кратко описаны все официально существующие разновидности. По некоторым причинам, в дополнение к основному стандарту многие производители рекомендуют пользоваться другими запатентованными носителями — например, для увеличения расстояния между точками сети используется оптоволоконный кабель. Большинство Ethernet-карт и других устройств имеет поддержку нескольких скоростей передачи данных, используя автоопределение скорости и дуплексности, для достижения наилучшего соединения между двумя устройствами. Если автоопределение не срабатывает, скорость подстраивается под партнёра, и включается режим полудуплексной передачи. Например, наличие в устройстве порта Ethernet 10/100 говорит о том, что через него можно работать по технологиям 10BASE-T и 100BASE-TX, а порт Ethernet 10/100/1000 — поддерживает стандарты 10BASE-T, 100BASE-TX, и 1000BASE-T.

Ранние модификации Ethernet

Xerox Ethernet — оригинальная технология, скорость 3Мбит/с, существовала в двух вариантах Version 1 и Version 2, формат кадра последней версии до сих пор имеет широкое применение.

0BROAD36 — широкого распространения не получил. Один из первых стандартов, позволяющий работать на больших расстояниях. Использовал технологию широкополосной модуляции, похожей на ту, что используется в кабельных модемах. В качестве среды передачи данных использовался коаксиальный кабель.

1BASE5 — также известный, как StarLAN , стал первой модификацией Ethernet-технологии, использующей витую пару. Работал на скорости 1 Мбит/с, но не нашёл коммерческого применения.

10 Мбит/с Ethernet

10BASE5, IEEE 802.3 (называемый также «Толстый Ethernet») — первоначальная разработка технологии со скоростью передачи данных 10 Мбит/с. Следуя раннему стандарту IEEE использует коаксиальный кабель, с волновым сопротивлением 50 Ом (RG-8), с максимальной длиной сегмента 500 метров.

10BASE2, IEEE 802.3a (называемый «Тонкий Ethernet») — используется кабель RG-58, с максимальной длиной сегмента 200 метров, компьютеры присоединялись один к другому, для подключения кабеля к сетевой карте нужен T-коннектор, а на кабеле должен быть BNC-коннектор. Требуется наличие терминаторов на каждом конце. Многие годы этот стандарт был основным для технологии Ethernet.

StarLAN 10 — Первая разработка, использующая витую пару для передачи данных на скорости 10 Мбит/с. В дальнейшем, эволюционировал в стандарт 10BASE-T.

10BASE-T, IEEE 802.3i — для передачи данных используется 4 провода кабеля витой пары (две скрученные пары) категории-3 или категории-5. Максимальная длина сегмента 100 метров.

FOIRL — (акроним от англ. Fiber-optic inter-repeater link). Базовый стандарт для технологии Ethernet, использующий для передачи данных оптический кабель. Максимальное расстояние передачи данных без повторителя 1км.

10BASE-F, IEEE 802.3j — Основной термин для обозначения семейства 10 Mбит/с ethernet-стандартов использующих оптоволоконный кабель на расстоянии до 2 километров: 10BASE-FL, 10BASE-FB и 10BASE-FP. Из перечисленного только 10BASE-FL получил широкое распространение.

10BASE-FL (Fiber Link) — Улучшенная версия стандарта FOIRL. Улучшение коснулось увеличения длины сегмента до 2 км.

10BASE-FB (Fiber Backbone) — Сейчас неиспользуемый стандарт, предназначался для объединения повторителей в магистраль.

10BASE-FP (Fiber Passive)- Топология «пассивная звезда», в которой не нужны повторители — никогда не применялся.

Быстрый Ethernet (100 Мбит/с) (Fast Ethernet)

100BASE-T — Общий термин для обозначения одного из трёх стандартов 100 Мбит/с ethernet, использующий в качестве среды передачи данных витую пару. Длина сегмента до 200-250 метров. Включает в себя 100BASE-TX, 100BASE-T4 и 100BASE-T2.

100BASE-TX, IEEE 802.3u — Развитие технологии 10BASE-T, используется топология звезда, задействован кабель витая пара категории-5, в котором фактически используются 2 пары проводников, максимальная скорость передачи данных 100 Мбит/с.

100BASE-T4 — 100 MБит/с ethernet по кабелю категории-3. Задействованы все 4 пары. Сейчас практически не используется. Передача данных идёт в полудуплексном режиме.

100BASE-T2 — Не используется. 100 Mбит/с ethernet через кабель категории-3. Используется только 2 пары. Поддерживается полнодуплексный режим передачи, когда сигналы распространяются в противоположных направления по каждой паре. Скорость передачи в одном направлении — 50 Mбит/с.

100BASE-FX — 100 Мбит/с ethernet с помощью оптоволоконного кабеля. Максимальная длина сегмента 400 метров в полудуплексном режиме (для гарантированного обнаружения коллизий) или 2 километра в полнодуплексном режиме по многомодовому оптическому волокну и до 32 километров по одномодовому.

Гигабит Ethernet

1000BASE-T, IEEE 802.3ab — Стандарт Ethernet 1 Гбит/с. Используется витая пара категории 5e или категории 6. В передаче данных участвуют все 4 пары. Скорость передачи данных — 250 Мбит/с по одной паре.

1000BASE-TX, — Стандарт Ethernet 1 Гбит/с, использующий только витую пару категории 6. Практически не используется.

1000Base-X — общий термин для обозначения технологии Гигабит Ethernet, использующей в качестве среды передачи данных оптоволоконный кабель, включает в себя 1000BASE-SX, 1000BASE-LX и 1000BASE-CX.

1000BASE-SX, IEEE 802.3z — 1 Гбит/с Ethernet технология, использует многомодовое волокно дальность прохождения сигнала без повторителя до 550 метров.

1000BASE-LX, IEEE 802.3z — 1 Гбит/с Ethernet технология, использует многомодовое волокно дальность прохождения сигнала без повторителя до 550 метров. Оптимизирована для дальних расстояний, при использовании одномодового волокна (до 10 километров).

1000BASE-CX — Технология Гигабит Ethernet для коротких расстояний (до 25 метров), используется специальный медный кабель (Экранированная витая пара (STP)) с волновым сопротивлением 150 Ом. Заменён стандартом 1000BASE-T, и сейчас не используется.

1000BASE-LH (Long Haul) — 1 Гбит/с Ethernet технология, использует одномодовый оптический кабель, дальность прохождения сигнала без повторителя до 100 километров.

10 Гигабит Ethernet

Новый стандарт 10 Гигабит Ethernet включает в себя семь стандартов физической среды для LAN, MAN и WAN. В настоящее время он описывается поправкой IEEE 802.3ae и должен войти в следующую ревизию стандарта IEEE 802.3.

10GBASE-CX4 — Технология 10 Гигабит Ethernet для коротких расстояний (до 15 метров), используется медный кабель CX4 и коннекторы InfiniBand.

10GBASE-SR — Технология 10 Гигабит Ethernet для коротких расстояний (до 26 или 82 метров, в зависимости от типа кабеля), используется многомодовое оптоволокно. Он также поддерживает расстояния до 300 метров с использованием нового многомодового оптоволокна (2000 МГц/км).

10GBASE-LX4 — использует уплотнение по длине волны для поддержки расстояний от 240 до 300 метров по многомодовому оптоволокну. Также поддерживает расстояния до 10 километров при использовании одномодового оптоволокна.

10GBASE-LR и 10GBASE-ER — эти стандарты поддерживают расстояния до 10 и 40 километров соответственно.

10GBASE-SW, 10GBASE-LW и 10GBASE-EW — Эти стандарты используют физический интерфейс, совместимый по скорости и формату данных с интерфейсом OC-192 / STM-64 SONET/SDH. Они подобны стандартам 10GBASE-SR, 10GBASE-LR и 10GBASE-ER соответственно, так как используют те же самые типы кабелей и расстояния передачи.

10GBASE-T, IEEE 802.3an-2006 — принят в июне 2006 года после 4 лет разработки. Использует экранированную витую пару. Расстояния — до 100 метров.

Современный мир все больше входит в зависимость от объемов и потоков информации, идущей в различных направлениях по проводам и без них. Все началось достаточно давно и с более примитивных средств, чем сегодняшние достижения цифрового мира. Но описывать все виды и способы, при помощи которых один человек доносил нужные сведения до сознания другого, мы не намерены. В данной статье хочется предложить читателю рассказ о не так давно созданном и успешно развивающемся сейчас стандарте передачи цифровой информации, который называется Ethernet.

Рождение самой идеи и технологии Ethernet происходило в стенах корпорации Xerox PARC вместе с другими первыми разработками этого же направления. Официальной датой изобретения Ethernet стало 22 мая 1973 года, когда Роберт Меткалф (Robert Metcalfe) составил докладную записку для главы PARC о потенциале технологии Ethernet. Однако запатентовали ее только через несколько лет.

В 1979 году Меткалф ушёл из Xerox и основал компанию 3Com, главной задачей которой стало продвижение компьютеров и локальных вычислительных сетей (ЛВС). Заручившись поддержкой таких именитых компаний как DEC, Intel и Xerox был разработан стандарт Ethernet (DIX). После официальной публикации 30 сентября 1980 года он начал соперничество с двумя крупными запатентованными технологиями - token ring и ARCNET, которые впоследствии были полностью вытеснены, из-за их меньшей эффективности и большей себестоимости, чем продукция для Ethernet.

Изначально по предложенным стандартам (Ethernet v1.0 и Ethernet v2.0) собирались использовать в качестве передающей среды коаксиальный кабель, но в дальнейшем пришлось отказаться от этой технологии и перейти на использование оптических кабелей и витой пары.

Основным преимуществом в начале развития технологии Ethernet стал метод управления доступом. Он подразумевает множественные соединения с контролем несущей и обнаружение коллизий (CSMA/CD, Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), скорость передачи данных при этом равна 10 Мбит/с, размер пакета от 72 до 1526 байт, в нем же описаны методы кодирования данных. Предельное значение рабочих станций в одном разделяемом сегменте сети ограничено числом 1024, но возможны и другие более малые значения при установке более жестких ограничений к сегменту тонкого коаксиала. Но такое построение очень скоро стало неэффективным и на смену ему в 1995 году пришел стандарт IEEE 802.3u Fast Ethernet со скоростью 100 Мбит/с, а позже был принят стандарт IEEE 802.3z Gigabit Ethernet со скоростью 1000 Мбит/с. На данный момент уже в полной мере используется 10 Gigabit Ethernet IEEE 802.3ae, обладающий скоростью в 10 000 Мбит/с. Кроме того, уже имеем разработки направленные на достижение скорости в 100 000 Мбит/с 100 Gigabit Ethernet, но обо всем по порядку.

Очень важной позицией, лежащей в основе стандарта Ethernet, стал формат его кадра. Однако его вариантов существует довольно много. Вот некоторые из них:

Variant I первенец и уже вышедший из применения.

Ethernet Version 2 или Ethernet-кадр II, ещё называемый DIX (аббревиатура первых букв фирм-разработчиков DEC, Intel, Xerox) - наиболее распространена и используется по сей день. Часто используется непосредственно протоколом интернет.

Novell - внутренняя модификация IEEE 802.3 без LLC (Logical Link Control).

Кадр IEEE 802.2 LLC.

Кадр IEEE 802.2 LLC/SNAP.

В качестве дополнения, Ethernet-кадр может содержать тег IEEE 802.1Q, для идентификации VLAN, к которой он адресован, и IEEE 802.1p для указания приоритетности.

Некоторые сетевые карты Ethernet, производимые компанией Hewlett-Packard использовали при работе кадр формата IEEE 802.12, соответствующий стандарту 100VG-AnyLAN.

Для различных типов кадра имеют и различные форматы и значения MTU.

Функциональные элементы технологии G igabit Ethernet

Отметим, что производители Ethernet-карт и других устройств в основном включают в свою продукцию поддержку нескольких предыдущих стандартов скоростей передачи данных. По умолчанию, используя автоопределение скорости и дуплексности, сами драйвера карты определяют оптимальный режим работы соединения между двумя устройствами, но, обычно, есть и ручной выбор. Так покупая устройство с портом Ethernet 10/100/1000, мы получаем возможность работать по технологиям 10BASE-T, 100BASE-TX, и 1000BASE-T.

Приведем хронологию модификаций Ethernet , разделив их по скоростям передачи.

Первые решения:

Xerox Ethernet - оригинальная технология, скорость 3 Мбит/с, существовала в двух вариантах Version 1 и Version 2, формат кадра последней версии до сих пор имеет широкое применение.

10BROAD36 - широкого распространения не получил. Один из первых стандартов, позволяющий работать на больших расстояниях. Использовал технологию широкополосной модуляции, похожей на ту, что используется в кабельных модемах. В качестве среды передачи данных использовался коаксиальный кабель.

1BASE5 - также известный, как StarLAN, стал первой модификацией Ethernet-технологии, использующей витую пару. Работал на скорости 1 Мбит/с, но не нашёл коммерческого применения.

Более распространенные и оптимизированные для своего времени модификации 10 Мбит/с Ethernet:

10BASE5, IEEE 802.3 (называемый также «Толстый Ethernet») - первоначальная разработка технологии со скоростью передачи данных 10 Мбит/с. IEEE использует коаксиальный кабель, с волновым сопротивлением 50 Ом (RG-8), с максимальной длиной сегмента 500 метров.

10BASE2, IEEE 802.3a (называемый «Тонкий Ethernet») - используется кабель RG-58, с максимальной длиной сегмента 200 метров. Для присоединения компьютеров друг к другу и подключения кабеля к сетевой карте нужен T-коннектор, а на кабеле должен быть BNC-коннектор. Требуется наличие терминаторов на каждом конце. Многие годы этот стандарт был основным для технологии Ethernet.

StarLAN 10 - Первая разработка, использующая витую пару для передачи данных на скорости 10 Мбит/с. В дальнейшем, эволюционировал в стандарт 10BASE-T.

10BASE-T, IEEE 802.3i - для передачи данных используется 4 провода кабеля витой пары (две скрученные пары) категории 3 или категории 5. Максимальная длина сегмента 100 метров.

FOIRL - (акроним от англ. Fiber-optic inter-repeater link). Базовый стандарт для технологии Ethernet, использующий для передачи данных оптический кабель. Максимальное расстояние передачи данных без повторителя 1 км.

10BASE-F, IEEE 802.3j - Основной термин для обозначения семейства 10 Mбит/с Eethernet-стандартов, использующих оптоволоконный кабель на расстоянии до 2 километров: 10BASE-FL, 10BASE-FB и 10BASE-FP. Из перечисленного только 10BASE-FL получил широкое распространение.

10BASE-FL (Fiber Link) - Улучшенная версия стандарта FOIRL. Улучшение коснулось увеличения длины сегмента до 2 км.

10BASE-FB (Fiber Backbone) - Сейчас неиспользуемый стандарт, предназначался для объединения повторителей в магистраль.

• 10BASE-FP (Fiber Passive) - Топология «пассивная звезда», в которой не нужны повторители – разработана, но никогда не применялась.

Самый распространенный и недорогой выбор на момент написания статьи Быстрый Ethernet (100 Мбит/с) (Fast Ethernet ):

100BASE-T - Основной термин для обозначения одного из трёх стандартов 100 Мбит/с Ethernet, использующий в качестве среды передачи данных витую пару. Длина сегмента до 100 метров. Включает в себя 100BASE-TX, 100BASE-T4 и 100BASE-T2.

100BASE-TX, IEEE 802.3u - Развитие технологии 10BASE-T, используется топология «звезда», задействован кабель витая пара категории 5, в котором фактически используются 2 пары проводников, максимальная скорость передачи данных 100 Мбит/с.

100BASE-T4 - 100 MБит/с Ethernet по кабелю категории 3. Задействованы все 4 пары. Сейчас практически не используется. Передача данных идёт в полудуплексном режиме.

100BASE-T2 - Не используется. 100 Mбит/с Ethernet через кабель категории 3. Используется только 2 пары. Поддерживается полнодуплексный режим передачи, когда сигналы распространяются в противоположных направления по каждой паре. Скорость передачи в одном направлении - 50 Mбит/с.

100BASE-FX - 100 Мбит/с Ethernet с помощью оптоволоконного кабеля. Максимальная длина сегмента 400 метров в полудуплексном режиме (для гарантированного обнаружения коллизий) или 2 километра в полнодуплексном режиме по многомодовому оптическому волокну.

100BASE-LX - 100 Мбит/с Ethernet с помощью оптоволоконного кабеля. Максимальная длина сегмента 15 километров в полнодуплексном режиме по паре одномодовых оптических волокон на длине волны 1310 нм.

100BASE-LX WDM - 100 Мбит/с Ethernet с помощью оптоволоконного кабеля. Максимальная длина сегмента 15 километров в полнодуплексном режиме по одному одномодовому оптическому волокну на длине волны 1310 нм и 1550 нм. Интерфейсы бывают двух видов, отличаются длиной волны передатчика и маркируются либо цифрами (длина волны) либо одной латинской буквой A (1310) или B (1550). В паре могут работать только парные интерфейсы, с одной стороны передатчик на 1310 нм, а с другой на 1550 нм.

Gigabit Ethernet

1000BASE-T, IEEE 802.3ab - Стандарт Ethernet 1 Гбит/с. Используется витая пара категории 5e или категории 6. В передаче данных участвуют все 4 пары. Скорость передачи данных - 250 Мбит/с по одной паре.

1000BASE-TX, - Стандарт Ethernet 1 Гбит/с, использующий только витую пару категории 6. Передающие и принимающие пары разделены физически по две пары в каждом направлении, что существенно упрощает конструкцию приемопередающих устройств. Скорость передачи данных - 500 Мбит/с по одной паре. Практически не используется.

1000Base-X - общий термин для обозначения технологии Гигабит Ethernet со сменными трансиверами GBIC или SFP.

1000BASE-SX, IEEE 802.3z - 1 Гбит/с Ethernet технология использует лазеры с допустимой длиной излучения в пределах диапазона 770-860 нм, мощность излучения передатчика в пределах от -10 до 0 дБм при отношении ON/OFF (сигнал/нет сигнала) не меньше 9 дБ. Чувствительность приемника 17 дБм, насыщение приемника 0 дБм. Используя многомодовое волокно, дальность прохождения сигнала без повторителя до 550 метров.

1000BASE-LX, IEEE 802.3z - 1 Гбит/с Ethernet технология использует лазеры с допустимой длиной излучения в пределах диапазона 1270-1355 нм, мощность излучения передатчика в пределах от 13,5 до 3 дБм, при отношении ON/OFF (есть сигнал/нет сигнала) не меньше 9 дБ. Чувствительность приемника 19 дБм, насыщение приемника 3 дБм. При использовании многомодового волокна дальность прохождения сигнала без повторителя до 550 метров. Оптимизирована для дальних расстояний, при использовании одномодового волокна (до 40 км).

1000BASE-CX - Технология Гигабит Ethernet для коротких расстояний (до 25 метров), используется специальный медный кабель (Экранированная витая пара (STP)) с волновым сопротивлением 150 Ом. Заменён стандартом 1000BASE-T, и сейчас не используется.

1000BASE-LH (Long Haul) - 1 Гбит/с Ethernet технология, использует одномодовый оптический кабель, дальность прохождения сигнала без повторителя до 100 километров.

Стандарт	Тип кабеля	Полоса пропускания (не хуже), МГц*Км	Макс. расстояние, м *
1000BASE-LX (лазерный диод 1300 нм)	Одномодовое волокно (9 мкм)
	Многомодовое волокно (50 мкм)
	Многомодовое волокно (62,5 мкм)
1000BASE-SX (лазерный диод 850 нм)	Многомодовое волокно (50 мкм)
	Многомодовое волокно (62,5 мкм)
	Многомодовое волокно (62,5 мкм)
	Экранированная витая пара STP (150 ОМ)
* стандарты 1000BASE-SX и 1000BASE-LX предполагают наличие дуплексного режима ** Оборудование некоторых производителей может обеспечивать большее расстояние, оптические сегменты без промежуточных ретрансляторов/усилителей могут достигать 100 км.

Технические характеристики стандартов 1000Base-X

10 Gigabit Ethernet

Еще достаточно дорогой, но вполне востребованный, новый стандарт 10 Гигабит Ethernet включает в себя семь стандартов физической среды для LAN, MAN и WAN. В настоящее время он описывается поправкой IEEE 802.3a и должен войти в следующую ревизию стандарта IEEE 802.3.

10GBASE-CX4 - Технология 10 Гигабит Ethernet для коротких расстояний (до 15 метров), используется медный кабель CX4 и коннекторы InfiniBand.

10GBASE-SR - Технология 10 Гигабит Ethernet для коротких расстояний (до 26 или 82 метров, в зависимости от типа кабеля), используется многомодовое оптоволокно. Он также поддерживает расстояния до 300 метров с использованием нового многомодового оптоволокна (2000 МГц/км).

10GBASE-LX4 - использует уплотнение по длине волны для поддержки расстояний от 240 до 300 метров по многомодовому оптоволокну. Также поддерживает расстояния до 10 километров при использовании одномодового оптоволокна.

10GBASE-LR и 10GBASE-ER - эти стандарты поддерживают расстояния до 10 и 40 километров соответственно.

10GBASE-SW, 10GBASE-LW и 10GBASE-EW - Эти стандарты используют физический интерфейс, совместимый по скорости и формату данных с интерфейсом OC-192 / STM-64 SONET/SDH. Они подобны стандартам 10GBASE-SR, 10GBASE-LR и 10GBASE-ER соответственно, так как используют те же самые типы кабелей и расстояния передачи.

10GBASE-T, IEEE 802.3an-2006 - принят в июне 2006 года после 4 лет разработки. Использует экранированную витую пару. Расстояния - до 100 метров.

И наконец, что мы знаем про 100-Gigabit Ethernet (100-GE), еще достаточно сырую, но вполне востребованную технологию.

В апреле 2007 года, после собрания комитета IEEE 802.3 в Оттаве, исследовательской группой Higher Speed Study Group (HSSG) было принято мнение о технических подходах в формировании оптических и медных каналов 100-GE. На данное время окончательно сформирована рабочая группа 802.3ba по разработке спецификации 100-GE.

Как и в предыдущих разработках, стандарт 100-GE будет учитывать не только экономические и технические возможности его осуществления, но и их обратную совместимость с имеющимися системами. На данное время потребность в таких скоростях неоспоримо доказана ведущими компаниями. Постоянно растущие объемы персонализированного контента, в том числе при доставке видео с порталов типа YouTube и других ресурсов, применяющих технологии IPTV и HDTV. Нужно упомянуть также видео по требованию. Все это определяет потребность в 100 Gigabit Ethernet операторов и сервис-провайдеров.

Но на фоне большого выбора старых и перспективно новых технологических подходов в рамках группы Ethernet мы хотим более подробно остановиться на технологии, которая сегодня только приобретает полноценную массовость использования в связи с понижением стоимости ее компонентов. Gigabit Ethernet может полноценно обеспечить работу таких приложений, как потоковое видео, видеоконференции, передача сложных изображений предъявляющих повышенные требования к пропускной способности канал. Преимущества повышения скоростей передачи в корпоративных и домашних сетях становятся все более бесспорным, с падением цен на оборудование такого класса.

Сейчас получил максимальную популярность стандарт IEEE. Принятый в июне 1998 года, он был утвержден как IEEE 802.3z. Но поначалу в качестве среды передачи использовался только оптический кабель. С утверждением в течение последующего года дополнения стандарта 802.3ab средой передачи стала неэкранированная витая пара пятой категории.

Gigabit Ethernet является прямым потомком Ethernet и Fast Ethernet, хорошо зарекомендовавших себя за почти двадцатилетнюю историю, сохранив их надежность и перспективность использования. Наряду с предусмотренной обратной совместимостью с предыдущими решениями (кабельная структура остается неизменной) он обеспечивает теоретическую пропускную способность в 1000 Мбит/сек, что приблизительно равно 120 Мб в секунду. Стоит отметить, что такие возможности практически равны скорости 32-битной шины PCI 33 МГц. Именно поэтому гигабитные адаптеры выпускаются как для 32-битной PCI (33 и 66 МГц), так и для 64-битной шины. Наряду с таким увеличением скорости Gigabit Ethernet унаследовал все предыдущие особенности Ethernet, такие как формат кадров, технологию CSMA/CD (чувствительный к передаче множественный доступ с обнаружением коллизий), полный дуплекс и т.д. Хотя высокие скорости внесли и свои нововведения, но именно в наследовании старых стандартов состоит огромное преимущество и популярность Gigabit Ethernet. Конечно, сейчас предложены и другие решения, такие как ATM и Fibre Channel, но здесь сразу теряется главное преимущество для конечного потребителя. Переход на другую технологию ведет за собой массовую переделку и переоборудование сетей предприятия, тогда как Gigabit Ethernet позволит плавно наращивать скорость и не изменять кабельное хозяйство. Такой подход и позволил Ethernet-технологии занять доминирующее место в области сетевых технологий и завоевать более 80 процентов мирового рынка передачи информации.

Структура построения сети Ethernet с плавным переходам на более высокие скорости передачи данных.

Изначально все стандарты Ethernet разрабатывались с использованием в качестве среды передачи только оптического кабеля - так и Gigabit Ethernet получил интерфейс 1000BASE-X. Он основывается на стандарте физического уровня Fibre Channel (это технология взаимодействия рабочих станций, устройств хранения данных и периферийных узлов). Так как эта технология уже была одобрена ранее, такое заимствование сильно сократило время на разработку стандарта Gigabit Ethernet. 1000BASE-X

Нас, как и простого обывателя, больше заинтересовал 1000Base-CX в виду его работы на экранированной витой паре (STP «twinax») на короткие расстояния и 1000BASE-T для неэкранированной витой пары категории 5. Главным отличием 1000BASE-T от Fast Ethernet 100BASE-TX стало то, что используются все четыре пары (в 100BASE-TX использовались только две). Каждая пара при этом может передавать данные со скоростью 250 Мбит/сек. Стандарт обеспечивает дуплексную передачу, причем поток по каждой паре обеспечивается в двух направлениях одновременно. В связи с сильными помехами при такой передаче технически реализовать гигабитную передачу по витой паре было намного сложнее, чем в 100BASE-TX, что потребовало разработки специальной скремблированной помехоустойчивой передачи, а также интеллектуального узла распознавания и восстановления сигнала на приеме. В качестве метода кодирования в стандарте 1000BASE-T было использовано 5-уровневое импульсно-амплитудное кодирование PAM-5.

Критерии по выбору кабеля тоже стали более жесткими. Для уменьшения наводок, однонаправленной передачи, возвратных потерь, задержек и фазового сдвига, была принята к использованию категория 5e для неэкранированной витой пары.

Обжим кабеля для 1000BASE-T производится по одной из следующих схем:

Прямой (straight-through) кабель.

Перекрестный (crossover) кабель.

Схемы обжима кабеля для 1000BASE-T

Нововведения коснулись и уровня MAC-стандарта 1000BASE-T. В Ethernet-сетях максимальное расстояние между станциями (коллизионный домен) определяется исходя из минимального размера кадра (в стандарте Ethernet IEEE 802.3 он равнялся 64 байтам). Максимальная длина сегмента должна быть такой, чтобы передающая станция могла обнаружить коллизию до окончания передачи кадра (сигнал должен успеть пройти в другой конец сегмента и вернуться обратно). Соответственно, при увеличении скорости передачи нужно либо увеличивать размер кадра, тем самым увеличивая минимальное время на передачу кадра, либо уменьшать диаметр коллизионного домена.

При переходе к Fast Ethernet воспользовались вторым вариантом и сократили диаметр сегмента. В Gigabit Ethernet это было неприемлемо. Ведь в этом случае стандарт, наследовавший такие составляющие Fast Ethernet, как минимальный размер кадра, CSMA/CD и время обнаружения коллизии (time slot), сможет работать в коллизионных доменах диаметром не более 20 метров. Поэтому было предложено увеличить время на передачу минимального кадра. Учитывая, что для совместимости с предыдущими Ethernet минимальный размер кадра был оставлен прежним - 64 байта, а к кадру добавилось дополнительное поле carrier extension (расширение носителя), которое дополняет кадр до 512 байт, но поле не добавляется в случае, когда размер кадра больше 512 байт. Таким образом, результирующий минимальный размер кадра получился равным 512 байтам, время на обнаружение коллизии возросло, и диаметр сегмента увеличился до тех же 200 метров (в случае 1000BASE-T). Символы в поле carrier extension не несут смысловой нагрузки, контрольная сумма для них не вычисляется. При приеме кадра это поле отбрасывается еще на уровне MAC, поэтому вышележащие уровни продолжают работать с минимальными кадрами длиной 64 байта.

Но и тут возникли подводные камни. Хоть расширение носителя и позволило сохранить совместимость с предыдущими стандартами, оно привело к неоправданной трате полосы пропускания. Потери могут достигать 448 байт (512-64) на кадр в случае коротких кадров. Поэтому стандарт 1000BASE-T был модернизирован - ввели понятие Packet Bursting (пакетная перегруженность). Она позволяет намного эффектней использовать поле расширения. А работает это следующим образом: если у адаптера или коммутатора есть несколько небольших кадров, требующих отправки, то первый из них отправляется стандартным образом, с добавлением поля расширения до 512 байт. А все последующие отправляются в оригинальном виде (без поля расширения), с минимальным интервалом между ними в 96 бит. И, что самое главное, этот межкадровый интервал заполняется символами расширения носителя. Это происходит до тех пор, пока суммарный размер отправляемых кадров не достигнет предела 1518 байт. Таким образом, среда не замолкает на всем протяжении передачи малых кадров, поэтому коллизия может возникнуть только на первом этапе, при передаче первого правильного малого кадра с полем расширения носителя (размером 512 байт). Этот механизм позволяет существенно повысить производительность сети, особенно при больших нагрузках, за счет уменьшения вероятности возникновения коллизий.

Но и этого оказалось мало. Сначала Gigabit Ethernet поддерживал только стандартные размеры кадров Ethernet - от минимального 64 (дополняемых до 512) до максимального 1518 байт. Из них 18 байт занимает стандартный служебный заголовок, а для данных остается от 46 до 1500 байт соответственно. Но даже пакет данных размером 1500 байт слишком мал в случае гигабитной сети. Особенно для серверов, передающих большие объемы данных. Давайте немного посчитаем. Для передачи файла размером 1 гигабайт по незагруженной Fast Ethernet сети, сервер обрабатывает 8200 пакетов/сек и затрачивает на это минимум 11 секунд. В этом случае только на обработку прерываний у компьютера мощностью 200 MIPS уйдет около 10 процентов времени. Ведь центральный процессор должен обработать (посчитать контрольную сумму, передать данные в память) каждый пришедший пакет.

Скорость	10 Мбит/сек		100 Мбит/сек		1000 Мбит/сек
Размер кадра
Кадры/сек
Скорость передачи данных, Мбит/сек
Интервал между кадрами, мкс

Характеристики передачи сетей Ethernet.

В гигабитных сетях ситуация еще печальней - нагрузка на процессор возрастает примерно на порядок из-за сокращения временного интервала между кадрами и соответственно запросами на прерывания к процессору. Из таблицы 1 видно, что даже в наилучших условиях (использование кадров максимального размера) кадры отстоят друг от друга на временной интервал, не превышающий 12 мкс. В случае использования кадров меньшего размера этот временной интервал только уменьшается. Поэтому в гигабитных сетях узким местом, как ни странно, стал именно этап обработки кадров процессором. Поэтому на заре становления Gigabit Ethernet фактические скорости передачи были далеки от теоретического максимума - процессоры просто не справлялись с нагрузкой.

Очевидным выходом из сложившейся ситуации является следующее:

увеличение временного интервала между кадрами;

перекладывание части нагрузки обработки кадров с центрального процессора на сам сетевой адаптер.

В настоящее время реализованы оба метода. В 1999 году было предложено увеличить размер пакета. Такие пакеты получили название гига-кадры (Jumbo Frames), и их размер мог быть от 1518 до 9018 байт (в настоящее время оборудование от некоторых производителей поддерживает и большие размеры гига-кадров). Jumbo Frames позволили уменьшить нагрузку на центральный процессор до 6 раз (пропорционально своему размеру) и, таким образом, значительно повысить производительность. Например, максимальный пакет Jumbo Frame в 9018 байт, кроме 18-байтового заголовка, содержит 9000 байт под данные, что соответствует шести стандартным максимальным кадрам Ethernet. Выигрыш в производительности достигается не из-за избавления от нескольких служебных заголовков (трафик от их передачи не превышает нескольких процентов общей пропускной способности), а за счет уменьшения времени на обработку такого кадра. Точнее, время на обработку кадра осталось прежним, но вместо нескольких небольших кадров, каждый из которых потребовал бы для себя N тактов процессора и одно прерывание, мы обрабатываем только один, больший кадр.

Довольно быстро развивающийся мир скорости обработки информации предоставляет все более быстрые и недорогие решения по использованию специальных аппаратных средств, для снятия части нагрузки по обработке трафика с центрального процессора. Используется и технология буферизации, обеспечивающая прерывание процессора для обработки нескольких кадров сразу. На данное время технология Gigabit Ethernet становится все более доступной для использования в домашних условиях, что напрямую заинтересует простого пользователя. Более быстрый доступ к домашним ресурсам обеспечит качественный просмотр видео большого разрешения, займет меньше времени для перераспределения информации и, наконец, позволит вживую кодировать видеопотоки на сетевые диски.

При подготовке статьи использовались метериалы ресурсов http://www.ixbt.com/ и http://www.wikipedia.org/ .

Ethernet — пакетная технология передачи данных. Разработана преимущественно для локальных компьютерных сетей.

Стандартами Ethernet определяются проводные соединения и электрические сигналы на физическом уровне, а на канальном уровне модели OSI определяются формат кадров и протоколами управления доступом. В основном, Ethernet описывают стандарты IEEE группы 802.3.

Это самая распространенная технология ЛВС, особенно в середине 90-х годов прошлого века. Своим появлением Ethernet вытеснила такие устаревшие технологии, как Arcnet, FDDI и Token ring.

История

Корпорация Xerox PARC разработала Ethernet одновременно со многими другими своими первыми проектами. Общепринято, что технология Ethernet была изобретена 22 мая 1973 года Робертом Меткалфом (Robert Metcalfe ). Он составил докладную записку для главы PARC о потенциале технологии Ethernet, что и стало свидетельством ее создания. Однако, законное право на технологию разработчик получил, лишь спустя несколько лет.

В 1976 году Меткалф вместе со своим ассистентом Дэвидом Боггсом (David Boggs) выпустили брошюру под названием «Ethernet: Distributed Packet-Switching For Local Computer Networks». Меткалф покинул Xerox в 1979 году и основал компанию 3Com, которая занималась продвижением компьютеров и локальных вычислительных сетей (ЛВС). Он убедил руководство компаний DEC, Intel и Xerox работать совместно с целью разработки стандарта Ethernet (DIX).

Впервые стандарт Ethernet был опубликован 30 сентября 1980 года. По выходу на рынок он вступил в соперничество с двумя крупными запатентованными технологиями: token ring и ARCNET. Они в скором времени были раздавлены под потоками хлынувшей на рынок продукции Ethernet. Так, 3Com стала основной компанией в своей отрасли.

Технология

Стандарт первых версий (Ethernet v1.0 и Ethernet v2.0) говорит о том, что в качестве передающей среды в нем используется коаксиальный кабель. Впоследствии стали использовать витую пару и оптический кабель.

Каковы преимущества использования витой пары перед использованием коаксиального кабеля?

• возможность работы в дуплексном режиме;
• низкая стоимость кабеля;
• высокая надежность сети в случае неисправности кабеля (при соединении типа «точка-точка» в случае обрыва кабеля связи лишаются два узла). В коаксиальном соединении используется топология «шина», поэтому в случае обрыва кабеля связи лишится сразу весь сегмент;
• В витой паре минимально допустимый радиус изгиба меньше, чем в коаксиале;
• В витой паре большая помехозащищенность, ввиду использования дифференциального сигнала;
• Имеется возможность питания по кабелю маломощных узлов, к примеру, IP-телефонов (стандарт POE);
• Гальваническая развязка трансформаторного типа. Используя коаксиальный кабель в российских условиях, где обычно отсутствует заземление компьютеров, эксплуатация часто сопровождается пробоями сетевых карт, а иногда даже и полным сгоранием системного блока.

В качестве веской причины перехода на оптический кабель стала необходимость в увеличении длины сегмента без повторителей. Управление доступом в случае с сетью на коаксиальном кабеле представляет собой множественный доступ с обнаружением коллизий (CSMA/CD, Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), скорость передачи данных достигает 10 Мбит/с, размер пакета от 72 до 1526 байт.

Полудуплексный режим работы (узел не может передавать и принимать информацию одновременно) сопряжен с ограничением по количеству узлов в одном сегменте сети. Оно ограничено предельным значением (1024 рабочих станции). На физическом уровне можно устанавливать более жесткие ограничения, к примеру, к сегменту тонкого коаксиала можно подключить не более 30 рабочих станций, а к сегменту толстого коаксиала — не более 100. Впрочем, сеть, которая построена на одном разделяемом сегменте, становится неэффективной задолго до достижения предельного значения количества узлов. Это происходит из-за полудуплексного режима работы.

В 1995 году был принят стандарт IEEE 802.3u Fast Ethernet, его скорость составляла 100 Мбит/с, появилась возможность работы в режиме полный дуплекс.

В 1997 году был принят стандарт IEEE 802.3z Gigabit Ethernet, его скорость составляла 1000 Мбит/с, передача осуществлялась по оптическому волокну. А через два года после его выхода, передача осуществлялась уже посредством витой пары - инженеры доработали стандарт.

Формат кадра

Существует несколько форматов Ethernet-кадра:

• Version I (в настоящее время не применяется);
• Ethernet Version 2 или Ethernet-кадр II (также его называют DIX - аббревиатура первых букв фирм-разработчиков DEC, Intel, Xerox). Является наиболее распространенной, используется и по сей день. Зачастую применяется непосредственно протоколом Интернет;
• Novell — внутренняя модификация IEEE 802.3 без LLC (Logical Link Control);
• Кадр IEEE 802.2 LLC;
• Кадр IEEE 802.2 LLC/SNAP;
• Часть сетевых карт Ethernet, выпускаемых компанией Hewlett-Packard, используют при работе кадр формата IEEE 802.12, он соответствует стандарту 100VG-AnyLAN.

Как дополнение Ethernet-кадра он может содержать тег IEEE 802.1Q для идентификации VLAN, к которой он адресован, и IEEE 802.1p для указания приоритетности. Разные типы кадра обладают разным форматом и значением MTU.

MAC-адреса

В ходе разработки стандарта Ethernet предусматривалось, что каждая сетевая карта должна обладать уникальным 6-байтным номером (MAC-адресом), зашитым в нее во время изготовления. Данный номер применяется в целях идентификации отправителя и получателя кадра. Предполагается, что при появлении в сети нового компьютера, сетевому администратору не придется вновь настраивать MAC-адрес.

Как достигается уникальность MAC-адресов? Каждый производитель получает в координирующем комитете (IEEE Registration Authority) специальный диапазон, состоящий из шестнадцати миллионов (2^24) адресов, по мере истечения которых, запрашивает новый диапазон. Так, по трем старшим байтам MAC-адреса можно определить производителя. Кроме того, существуют специальные таблицы, которые позволяют определить производителя по MAC-адресу.

Все без исключения современные сетевые платы позволяют программным образом изменить MAC-адрес, но если плата будет, к примеру, обесточена, то при сбросе данных, восстановится исходный MAC-адрес.

Разновидности Ethernet

Скорость передачи данных и передающая среда определяют несколько видов технологии Ethernet. Вне зависимости от способа передачи стек сетевого протокола и программы работают одинаково почти во всех вариантах.

Большая часть Ethernet-карт имеет поддержку нескольких скоростей передачи данных (применяется автоопределение скорости и дуплексности, для достижения наилучшего соединения между двумя устройствами). Если автоопределение не работает, скорость подстраивается под партнера, активируется режим полудуплексной передачи. К примеру, присутствие в устройстве порта Ethernet 10/100 говорит о том, что через него можно работать по технологиям 10BASE-T и 100BASE-TX, а порт Ethernet 10/100/1000 имеет поддержку стандартов 10BASE-T, 100BASE-TX и 1000BASE-T.

Ранние версии Ethernet

• Xerox Ethernet — технология с максимальной скоростью в 3 Мбит/с. Существовала в двух вариантах: Version 1 и Version 2. Формат кадра последней версии до сих пор имеет широкое применение.
• 1BROAD36 — технология не получила широкого распространения. Один из первых стандартов, который позволяет работать на больших расстояниях. Использовалась технология широкополосной модуляции (как в кабельных модемах). В качестве среды передачи данных применялся коаксиальный кабель.
• 1BASE5 — технология, также известная, как StarLAN. Стала первой модификацией Ethernet-технологии, в которой использовалась витая пара. Работала на скорости 1 Мбит/с. Коммерчески непопулярна.

10 Мбит/с Ethernet

• 10BASE5 , IEEE 802.3 (также имеет название «Толстый Ethernet»). Является первоначальной разработкой, обладающей скоростью передачи данных в 10 Мбит/с. По раннему стандарту IEEE использует коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50 Ом (RG-8), с максимальной длиной сегмента 500 метров.
• 10BASE2 , IEEE 802.3a (также имеет название «Тонкий Ethernet»). В данном стандарте применяется кабель RG-58, с максимальной длиной сегмента 185 метров. ПК присоединялись один к другому, для подключения кабеля к сетевой карте требуется T-коннектор, а на кабеле должен быть BNC-коннектор. Также необходимо наличие терминаторов на каждом конце. Долгие годы данный стандарт являлся основным в технологии Ethernet.
• StarLAN 10 - первая разработка, использующая витую пару для передачи данных. Скорость 10 Мбит/с. В дальнейшем данная технология эволюционировала в стандарт 10BASE-T.

Схема, при которой к одному кабелю витой пары подключается более двух устройств, работающих в симплексном режиме, никогда не применялась в Ethernet, однако, в теории это вполне возможно реализовать. Но такой принцип применялся в работе с коаксиальным кабелем. Вот почему все сети на витой паре применяют топологию «звезда», тогда как сети на коаксиальном кабеле построены на топологии «шина». Терминаторы для работы по витой паре встроены в каждое устройство, поэтому применять дополнительные внешние терминаторы в линии нет необходимости.

• 10BASE-T , IEEE 802.3i — стандарт, при котором для передачи данных применяется 4 провода кабеля витой пары (две скрученные пары) категории-3 или категории-5. Максимальная длина сегмента составляет 100 метров.
• FOIRL — (Fiber-optic inter-repeater link ). Базовый стандарт для технологии Ethernet. Он использует для передачи данных оптический кабель. Максимальное расстояние передачи данных без повторителя составляет 1 км.
• 10BASE-F , IEEE 802.3j — главный термин для обозначения семейства 10 Мбит/с ethernet-стандартов, применяющих оптический кабель (расстояние до 2 км.): 10BASE-FL, 10BASE-FB и 10BASE-FP. Однако из всех лишь 10BASE-FL получил широкое распространение.
• 10BASE-FL (Fiber Link) — модернизированная версия стандарта FOIRL. Улучшения коснулись увеличения длины сегмента до 2 км.
• 10BASE-FB (Fiber Backbone) — неиспользуемый в настоящее время стандарт предназначался для объединения повторителей в магистраль.
• 10BASE-FP (Fiber Passive) — стандарт, созданный по топологии «пассивная звезда». В ней не нужны повторители. Стандарт никогда не применялся.

Fast Ethernet (100 Мбит/с)

• 100BASE-T — общий термин для обозначения стандартов, которые используют витую пару в качестве среды передачи данных. Длина сегмента достигает 100 метров. Включает в себя стандарты 100BASE-TX, 100BASE-T4 и 100BASE-T2.
• 100BASE-TX , IEEE 802.3u — усовершенствованный стандарт 10BASE-T, предназначенный для использования в сетях топологии «звезда». Применяется витая пара категории 5, фактически используются только две неэкранированные пары проводников, имеется поддержка дуплексной передача данных. Расстояние до 100 м.
• 100BASE-T4 — стандарт, который использует витую пару категории 3. Задействованы все четыре пары проводников, передача данных осуществляется в полудуплексе. Не используется на практике.
• 100BASE-T2 — стандарт, в котором применяется витая пара категории 3. Задействованы только две пары проводников. Поддерживается полный дуплекс, когда сигналы распространяются в противоположных направлениях по каждой паре. Скорость передачи в одном направлении — 50 Мбит/с. Не используется на практике.
• 100BASE-SX — стандарт, в котором применяется многомодовое волокно. Максимальная длина сегмента составляет 400 метров в полудуплексе или 2 километра в полном дуплексе.
• 100BASE-FX — в данном стандарте используется одномодовое волокно. Максимальная длина ограничена величиной затухания в оптическом кабеле и мощностью передатчиков. Составляет от 2-х до 10 километров.
• 100BASE-FX WDM — в данном стандарте используется одномодовое волокно. Максимальная длина ограничена лишь величиной затухания в волоконно-оптическом кабеле и мощностью передатчиков. Интерфейсы делятся на два вида, отличаются длиной волны передатчика и маркируются либо цифрами, либо одной латинской буквой A(1310) или B(1550). В паре могут работать исключительно парные интерфейсы.

Gigabit Ethernet (1 Гбит/с)

• 1000BASE-T , IEEE 802.3ab — стандарт, в котором используется витая пара категории 5e. В передаче данных задействовано 4 пары. Скорость передачи данных составляет 250 Мбит/с по одной паре. В данном стандарте применяется метод кодирования PAM5, частота основной гармоники - 62,5 МГц. Расстояние - до 100 метров.
• 1000BASE-TX - данный стандарт был создан Ассоциацией Телекоммуникационной Промышленности (Telecommunications Industry Association, TIA ), был обнародован в марте 2001 года как «Спецификация физического уровня дуплексного Ethernet 1000 Мб/с (1000BASE-TX) симметричных кабельных систем категории 6 (ANSI/TIA/EIA-854-2001)» («A Full Duplex Ethernet Specification for 1000 Mbit/s (1000BASE-TX) Operating Over Category 6 Balanced Twisted-Pair Cabling (ANSI/TIA/EIA-854-2001)» ). В стандарте используется раздельная приемо-передача, ввиду чего конструкция приемопередающих устройств значительно упрощается. Также существенным отличием 1000BASE-TX является отсутствие схемы цифровой компенсации наводок и возвратных помех, из-за этого сложность, уровень энергопотребления и цена процессоров сокращается, в сравнении с процессорами стандарта 1000BASE-T. Однако, как следствие, для стабильной работы по такой технологии необходима кабельная система высокого качества. Вот почему 1000BASE-TX может использовать лишь кабель 6 категории. На рынке практически не создавались продукты, построенные на основе данного стандарта, хотя 1000BASE-TX использует более простой протокол (соответственно, более простую электронику), чем стандарт 1000BASE-T.
• 1000BASE-X — общий термин, использующийся для обозначения стандартов со сменными приемопередатчиками GBIC или SFP.
• 1000BASE-SX , IEEE 802.3z — в данном стандарте используется многомодовое волокно. Дальность сигнала (без повторителя) достигает 550 метров.
• 1000BASE-LX , IEEE 802.3z — в данном стандарте используется одномодовое волокно. Дальность сигнала (без повторителя) зависит от типа используемых приемопередатчиков. Обычно она составляет от 5 до 50 километров.
• 1000BASE-CX — данный стандарт используется для коротких расстояний (до 25 метров). В нем применяется твинаксиальный кабель с волновым сопротивлением 75 Ом. Он был заменен стандартом 1000BASE-T, в настоящее время не используется.
• 1000BASE-LH (Long Haul) — в данном стандарте, используется одномодовое волокно. Дальность сигнала (без повторителя) достигает 100 километров.

Ethernet 10G (10 Гбит/с)

Новый 10 Гбит-ный стандарт Ethernet состоит из семи стандартов физической среды для LAN, MAN и WAN. Сегодня он описывается поправкой IEEE 802.3ae и должен войти в следующую ревизию стандарта IEEE 802.3.

• 10GBASE-CX4 — стандарт 10-гигабитного Ethernet, предназначенный для коротких расстояний (до 15 метров). Применяется медный кабель CX4 и коннекторы InfiniBand.
• 10GBASE-SR — стандарт 10-гигабитного Ethernet, предназначенный для коротких расстояний (до 26 или 82 метров, в зависимости от типа кабеля). Применяется многомодовое волокно. Также имеется поддержка расстояния до 300 метров, с использованием нового многомодового волокна (2000 МГц/км).
• 10GBASE-LX4 — данный стандарт использует уплотнение по длине волны с целью поддержки расстояний от 240 до 300 метров, по многомодовому волокну. Также имеется поддержка расстояния до 10 километров при использовании одномодового волокна.
• 10GBASE-LR и 10GBASE-ER — данные стандарты поддерживают расстояния до 10 и 40 километров соответственно.
• 10GBASE-SW , 10GBASE-LW и 10GBASE-EW — данные стандарты применяют физический интерфейс, который совместим по скорости и формату данных с интерфейсом OC-192 / STM-64 SONET/SDH. Они подобны стандартам 10GBASE-SR, 10GBASE-LR и 10GBASE-ER соответственно, поскольку в них применяются те же самые типы кабелей и расстояния.
• 10GBASE-T , IEEE 802.3an-2006 — стандарт принят в июне 2006 года, спустя 4 года разработки. В нем используется экранированная витая пара. Расстояние работы — до 100 метров.

Компания Harting объявила о выходе первого в мире 10-гигабитного соединителя RJ-45, который не требует инструментов для установки. Модель получила название HARTING RJ Industrial 10G .

Ethernet: 40 Гбит/с и 100 Гбит/с

По наблюдениям Группы 802.3ba, требования к пропускной полосе для приложений сетевого ядра и прочих вычислительных функций растут с разными скоростями. Это, в свою очередь, определяет необходимость двух соответствующих стандартов для следующих поколений Ethernet: 40GbE и 100GbE.