Технология Ethernet 10Мбит/с

Оглавление

В сетях Ethernet используется случайный метод доступа к среде передачи данных, называемый методом множественного доступа с контролем несущей и обнаружением коллизий - CSMA/CD (Carrier Sense Multiply Access Collision Detect). Это метод с общей шиной.
Все компьютеры такой сети имеют непосредственный доступ к общей шине, поскольку она использована для передачи данных между любыми двумя узлами сети. Все компьютеры сети имеют возможность (с учетом задержки распространения сигнала по физической среде) получить данные, которые любой из компьютеров начал передавать через общую шину. Поэтому это доступ называют коллективным или множественным.
Доступ реализуется протоколом канального уровня MAC (стандарт 802.3). Тактирование не используется.

Все данные, передаваемые по сети, помещаются в кадр определенной структуры и снабжаются уникальным адресом станции назначения.
Чтобы получить возможность передавать кадр, станция должна убедиться, что среда передачи свободна. Это достигается "прослушиванием" сигнала несущей частоты. Признаком не занятости среды является отсутствием передачи несущей частоты, которая при манчестерском кодировании равна 5-10 МГц. Если среда свободна, то узел имеет право начать передачу кадра.
Кадр данных всегда снабжается преамбулой - 8 байт для синхронизации приемника и передатчика по битам и по байтам.
Структура кадра показана на рисунке 1.

Рис.1 Структура кадра

Время двойного оборота

При проектировании сети важно выдержать ряд ее параметров.

Размах сети - максимальное расстояние между двумя удаленными станциями. Определяется временем двойного оборота.

Время двойного оборота - это время прохождения сигнала от одной станции до другой, максимально удаленной, и обратно.

Для надежного распознавания коллизий должно соблюдаться следующее условие:

t_min >= t_дв.об.,

где t_min - время передачи кадра минимальной длины,
t_дв.об. - время двойного оборота.

При этом условии станция-передатчик может обнаружить коллизию до того, как она закончит передачу.

Время двойного оборота (t_дв.об) зависит от:

длины кадра;
скорости передачи информации;
размаха сети;
скорости распространения сигнала в среде передачи.

Минимальный длина кадра: данные (46 байт) + заголовок (18 байт) + преамбула (8 байт) = 72 байта = 576 бит.
Так как t_бита = 0,1мкс, то t_дв.об = 57,6 мкс, что соответствует 13,3 км, с учетом "туда-обратно" = 6,5 км. Запас связан с задержкой сигнала повторителями, а также с затуханиями сигнала на длине сегмента. По стандарту 2,5 км.

Коллизии в сети Ethernet 10 Mбит/с. Домен коллизий

Передача данных разрешается через 9,6 мкс (межкадровый интервал) после освобождения среды передачи - это связано с временем распространением сигнала по сети и сбросом адаптеров в исходное состояние. Однако прослушивание канала и пауза между кадрами не исключают ситуацию, когда две станции одновременно решают, что среда свободна и начинают передавать свои кадры. В этом случае возникает коллизия - столкновение кадров на общем кабеле и искажение информации.
Чтобы корректно обработать коллизию, все станции непрерывно "прослушивают" сигналы в среде передачи. Если передаваемые и наблюдаемые сигналы отличаются, то фиксируется обнаружение коллизии. Для увеличения вероятности скорейшего обнаружения коллизии всеми станциями сети передающая станция прерывает передачу своего кадра и подтверждают коллизию посылкой в сеть специальной последовательности из 32 бит, называемой jam-сигналом.
После этого передающая станция обязана прекратить передачу и сделать паузу в течение короткого интервала времени: t_п=L*r,

где r - интервал отсрочки, равен 512 битовым интервалам (величина битового интервала t_бита = 0,1 мкс для скорости 10 Мбит/с);
L - любое число из диапазона [0..2^N], N = 1,2,...10 - номер повторной попытки передачи данного кадра.

Таким образом:

t_п=0...52,4 мс.

После 10-ой попытки интервал не увеличивается. Максимальное число попыток N_max=16, далее кадр отбрасывается.

Появление коллизий органически присуще методу доступа CSMA/CD.
Частота коллизий определяются интенсивностью трафика и скоростью передачи. Важно распознавать коллизии на MAC - уровне, иначе падает производительность сети, т.к. ошибочно передаваемые кадры будут определяться на транспортном или прикладном уровне.

Домен коллизий - это часть сети Ethernet, все узлы которой распознают коллизию независимо от того, в какой части этой сети коллизия возникла.

Сеть Ethernet, построенная на повторителях, всегда образует один домен коллизий. Мосты, коммутаторы и маршрутизаторы делят сеть Ethernet на несколько доменов коллизий.
На рисунке 2 приведена сеть, которая представляет собой один домен коллизий. Если в сети произошло столкновение кадров, то в соответствии с логикой работы повторителя сигнал коллизии распространится и на другие порты повторителя.

Рис.2 Возникновение коллизии между всеми рабочими станциями сети

Если же вместо концентратора поставить коммутатор (рис.3), то его порт воспримет сигнал коллизии, но не передаст его по другим портам, так как это не входит его функции. Если порт коммутатора принимал в момент возникновения коллизии кадр, то он просто отбросит полученное начало кадра, и будет ожидать повторной попытки передачи. После успешного принятия данного кадра в свой буфер коммутатор передаст его на другой порт в соответствии с таблицей коммутации. Все действия коммутатора, связанные с обработкой коллизий для остальных сегментов сети, которые подключены к другим портам коммутатора, останутся просто неизвестными.

Рис.3 Возникновение коллизии в одном из участков ЛС

Рис.4 Полностью коммутируемая сеть

Характеристики сети Ethernet 10 Мбит/с

Величина битового интервала для скорости 10 Мбит/с - 0,1 мкс

Интервал отсрочки - 512 битовых интервалов (512*0,1 мкс = 51,2 мкс)

Межкадровый интервал - 9,6 мкс

Максимальное число попыток передачи - 16

Максимальная задержка (при N=10) - 52,4 мкс

Длина jam-сигнала - 32 бита

Максимальная длина кадра (без преамбулы) - 1518 байт

Минимальная длина кадра (без преамбулы) - 64 байта (512 бит)

Длина преамбулы - 8 байт (64 бит)

Максимальное число станций в сети - 1024

Максимальное расстояние между станциями сети - 2500 м

Максимальное время передачи кадров (для 2-ух узлов)

Кадр минимальной длины:

Данные (46 байт) + заголовок (18 байт) + преамбула (8 байт) = 72 байта = 576 бит,

следовательно t_пер = 576*0,1= 57,6 мкс.

t_пер+ t_п = 57,6 + 9,6 = 67,2 мкс

Пропускная способность = 1/67,2 = 14880 кадр/с

Кадр максимальной длины:

Данные (1500 байт) + заголовок (18 байт) + преамбула (8 байт) = 1526 байт = 12108 бит

Пропускная способность = 1/(1210,8+9,6) = 813 кадр/с

Форматы кадров

Стандарт технологии Ethernet, описанный в документе IEEE 802.3, дает описание единственного формата кадра уровня MAC. Так как кадр уровня MAC должен вкладываться в кадр LLC, описанный в документе IEEE 802.2, то по стандартам IEEE в сети Ethernet может использоваться только единственный вариант кадра канального уровня, заголовок которого является комбинацией заголовков MAC и LLC подуровней.
Тем не менее, на практике в сетях Ethernet на канальном уровне используются кадры 4-х различных форматов (типов):

кадр 802.3/LLC (кадр Novell 802.2 или 802.3/802.2);
кадр Raw 802.3 (или кадр Novell 802.3);
кадр Ethernet DIX (или кадр Ethernet II);
кадр Ethernet SNAP (общий стандарт).

В протоколе SNAP (Sub Network Access Protocol) обеспечена совместимость с кадрами Ethernet II. Достигается распознавание типов кадров следующими протоколами:

Тип кадра

Протоколы

Ethernet II

IP, IPX, AppleTalk ph1

Ethernet 802.3

IPX

Ethernet 802.2

IPX

Ethernet SNAP

IP, IPX, AppleTalk ph2

Это обстоятельство надо иметь в виду при формировании стека протоколов сети Ethernet.

Предыдущий

Следующий

Тип кадра	Протоколы
Ethernet II	IP, IPX, AppleTalk ph1
Ethernet 802.3	IPX
Ethernet 802.2	IPX
Ethernet SNAP	IP, IPX, AppleTalk ph2