Ethernet– пакетна технологія передачі даних переважно локальних комп'ютерних мереж. Є найпоширенішим на сьогоднішній день стандартом локальних мереж.

Ethernet переважно описується стандартами IEEE групи 802.3.

Залежно від типу фізичного середовища передачі даних стандарт IEEE 802.3 має різні модифікації:

§ 10Base5 (товстий коаксіальний кабель);

§ 10Base2 (тонкий коаксіальний кабель);

§ 10Base-Т ( кручена пара);

§ 10Base-F (оптоволоконний кабель).

В основі Ethernet лежать наступні технології:

§ В якості фізичної топології передачі даних можуть бути використані топології шини, зірки та дерева;

§ Як логічну топологію використовується топологія «шина»;

§ Метод доступу до середовища - CSMA/CD;

§ Для передачі двійкової інформаціїпо кабелю для всіх варіантів фізичного рівнятехнології Ethernet використовується манчестерський код;

§ Швидкості передачі даних – 10, 100 та 1000 Мбіт/с.

Стандарт 10BaseT

Фізична топологія є "зірку"на основі крученої пари, що з'єднує всі вузли мережі з концентратором, використовуючи дві пари проводів: одну для передачі, іншу - для прийому (рис. нижче). Логічно (тобто за системою передачі сигналів) дана архітектура є "шиною" як і всі архітектури Ethernet. Концентратор постає як багатопортовий репітер. Довжина сегмента від 2,5 до 100 м. ЛОМ стандарту 10BaseT може обслуговувати до 1024 комп'ютерів.

Стандарт 10Base2

Мережа такого типу орієнтована на тонкий коаксіальний кабель з максимальною довжиною сегмента 185 м та можливістю підключення до одного сегмента до 30 ЕОМ (рис. нижче).

Стандарт 10Base5

Мережева архітектурана товстому Ethernet логічно і фізично є "шину" (рис. нижче). Магістральний сегмент (тобто головний кабель, до якого підключаються трансівери для зв'язку з РС) має довжину до 500 м та можливість підключення до 100 комп'ютерів. З використанням репітерів, які також підключаються до магістрального сегменту через трансівери, загальна довжина мережі може становити 2500 м-коду.

При описаному підході (CSMA/CD) можлива ситуація, коли дві станції одночасно намагаються передати кадр даних загальному кабелю (відбувається колізія). Для зменшення ймовірності цієї ситуації безпосередньо перед відправкою кадру передавальна станція слухає кабель (тобто приймає і аналізує електричні сигнали, що виникають на ньому), щоб виявити, чи не передається вже по кабелю кадр даних від іншої станції. Якщо пізнається несуча (carrier-sense, CS)то станція відкладає передачу свого кадру до закінчення чужої передачі, і тільки потім намагається знову його передати. Щоб коректно обробити колізію, всі станції одночасно спостерігають за сигналами, що виникають на кабелі. Якщо сигнали, що передаються і спостерігаються, відрізняються, то фіксується виявлення колізії (collision detection, CD).

Мережі 802.11

Як і все стандарти IEEE 802, 802.11 працює на нижніх двох рівнях моделі ISO/OSI, фізичному та канальному рівні. Будь-яке мережевий додаток, мережева операційна система, або протокол (наприклад, TCP/IP), так само добре працювати в мережі 802.11, як і в мережі Ethernet.

Основна архітектура, особливості та служби 802.11a/b/g визначаються у початковому стандарті 802.11. Специфікація 802.11a/b/g зачіпає лише фізичний рівень, додаючи лише вищі швидкості доступу.

Режими роботи 802.11

802.11 визначає два типи обладнання – клієнт, який зазвичай є комп'ютером, укомплектованим бездротовою мережевою інтерфейсною карткою (Network Interface Card, NIC), і точку доступу (Access point, AP), яка виконує роль моста між бездротовою та дротовою мережами. Точка доступу зазвичай містить у собі приймач, інтерфейс провідної мережі (802.3), а також програмне забезпечення, що займається обробкою даних.

Стандарт IEEE 802.11 визначає два режими роботи мережі – режим "Ad-hoc" та клієнт/сервер. У режимі клієнт/сервер бездротова мережа складається з щонайменше однієї точки доступу, підключеної до проводової мережі, та деякого набору бездротових кінцевих станцій. Оскільки більшості бездротових станційпотрібно отримувати доступ до файловим серверам, принтерам, Інтернет, доступним у дротової локальної мережі, вони працюватимуть як клієнт/сервер.

Режим "Ad-hoc" (також званий "точка-точка") - це проста мережа, в якій зв'язок між численними станціями встановлюється безпосередньо, без використання спеціальної точки доступу. Такий режим корисний у тому випадку, якщо інфраструктура бездротової мережі не сформована (наприклад, готель, виставковий зал, аеропорт) або з якихось причин не може бути сформована.

на фізичному рівнівизначено два широкосмугові радіочастотні методи передачі та один – в інфрачервоному діапазоні.

Канальний рівень 802.11 складається з двох підрівнів: управління логічним зв'язком (Logical Link Control, LLC) та управління доступом до носія (Media Access Control, MAC). 802.11 використовує той же LLC і 48-бітову адресацію, що й інші мережі 802, що дозволяє легко об'єднувати бездротові та дротові мережі, однак рівень MAC має кардинальні відмінності.

Стандарт 802.11 передбачає використання напівдуплексних приймачів, тому в бездротових мережах 802.11 станція не може виявити колізію під час передачі. Щоб врахувати цю відмінність, 802.11 використовує модифікований протокол, відомий як Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA/CA). CSMA/CA намагається уникнути колізій шляхом використання явного підтвердження пакета (ACK), що означає, що станція, що приймає, посилає ACK пакет для підтвердження того, що пакет отриманий неушкодженим.

CSMA/CA працює в такий спосіб. Станція, яка бажає передавати, тестує канал, і якщо не виявлено активності, станція чекає протягом деякого випадкового проміжку часу, а потім передає, якщо середовище передачі даних все ще вільне. Якщо пакет приходить цілим, станція, що приймає, посилає пакет ACK, по прийомі якого відправником завершується процес передачі. Якщо передавальна станція не отримала пакет ACK, тому, що не було отримано пакет даних, або прийшов пошкоджений ACK, робиться припущення, що сталася колізія, і пакет даних передається знову через випадковий проміжок часу.

MAC рівень 802.11 надає можливість розрахунку CRC та фрагментації пакетів. Кожен пакет має свою контрольну суму CRC, яка розраховується та прикріплюється до пакета. Тут спостерігається відмінність від мереж Ethernet, в яких обробкою помилок займаються протоколи високого рівня(наприклад, TCP). Фрагментація пакетів дозволяє розбивати великі пакети на менші при передачі по радіоканалу, що корисно в дуже "заселених" середовищах або в тих випадках, коли існують значні перешкоди, так як у менших пакетів менше шанси бути пошкодженими. Цей метод здебільшого зменшує необхідність повторної передачі і, таким чином, збільшує продуктивність усієї бездротової мережі. MAC рівень відповідальний за складання отриманих фрагментів, роблячи цей процес "прозорим" для протоколів вищого рівня.

Також MAC-підрівень забезпечує механізми шифрування даних, керування живленням, а також керує процесом підключення абонента до мережі.

Постійний доступ

Головна відмінність постійного доступу від комутованого (dial-up) полягає в тому, що ваш комп'ютер підключений до Інтернету постійно. Отже, щоб подивитися електронну поштуабо заглянути на будь-який сайт, вам не потрібно додзвонюватися до модемного пулу провайдера.

Телефон більше не потрібний!

Якщо ви підключаєтеся за допомогою комутованого доступу (модему), ваш телефон буде зайнятий. І навпаки, якщо по телефону хтось розмовляє, ви не зможете вийти в Інтернет. Ethernet позбавив Вас необхідності використовувати телефон для виходу в Інтернет. У вас взагалі немає телефону?Для технології Ethernet це не має значення – він є у повному розумінні виділеною лінією – окрема, незалежна високошвидкісна магістраль пов'язує Вас із глобальною мережею.

Висока швидкість

Ethernet належить до класу широкосмугових (broadband) технологій. Він забезпечує швидкість передачі даних від 10 до 100 Мбіт/с, причому симетрично - швидкість не залежить від того, завантажуєте Ви файл себе на комп'ютер, або відправляєте його. Власники різних DSL (ADSL, SDSL, VDSL тощо) можуть лише мріяти про подібні швидкості. Висока швидкість дозволяє комфортно працювати з Web-сайтами, швидко перекачувати великі файли та документи, працювати з мультимедіа, повноцінно використовувати інтерактивні програми, підтримувати зв'язок між кількома філіями так, начебто вони розташовані у сусідніх кімнатах.Простий приклад – оцифрований фільм розміром 700 мегабайт можна завантажити лише за кілька хвилин.

Якість

Широке використання оптоволокна, топології типу "кільце" з резервуванням магістральних ліній, "розумні" концентратори та маршрутизатори не тільки збільшили пропускну здатність мереж Ethernet, але й значно збільшили їхню надійність і стійкість до зовнішніх впливів.

Простота підключення

Якщо говорити про підключення, Ethernet справив справжню революцію – рекордно дешева та проста процедурапідключення зробило його доступним кожному, кому потрібний високошвидкісний доступ до Інтернету. На сьогоднішній день пристойний модем коштує дорожче, ніж підключення виділеної лінії за технологією Ethernet.Жодного спеціального дорогого обладнання. Жодних спеціальних налаштуваньчи спеціального програмного забезпечення. Мережева карта за 150-200 рублів (яка, до речі, часто вже вбудована в материнську плату) і все, Ваш комп'ютер готовий до підключення. Важко самі встановити карту? Наші фахівці її встановлять та налаштують.

Ethernet у порівнянні з іншими технологіями доступу

Технологія Ethernet має кілька серйозних переваг.

Порівняно з різними варіантами DSL, не потрібний телефон. Не має значення якість існуючої телефонної лінії– нагадаємо, що телефони з блокаторами або підключені до пульта охорони непридатні для DSL. Ethernet забезпечує в десятки разів великі швидкостіпередачі даних. Немає потреби купувати дорогий DSL-модем. Ви отримуєте симетричний високошвидкісний канал, в той час як ADSL має високу швидкість передачі даних лише в одному напрямку. Крім того, Ваші витрати на підключення значно менші.

Мережі кабельного телебаченняЯкщо порівняти їх з Ethernet, мають вкрай низькими швидкостями, та невисокою надійністю. Головним чином через те, що наші мережі Ethernet спочатку проектуються як надійна та швидкісна системадоступу до Інтернету, а "кабельники" адаптують не призначені для цього телевізійні мережі на базі ненадійного коаксіального кабелю. До речі, коаксіальний кабель практично не використовується в локальних мережах вже більше 7 років саме через низьку надійність і "примхливість". Кабельні модеми працюють асиметрично, на всі модеми виділяється смуга не більше 40 мегабіт/сек на вхід, і на вихід не більше 20 мегабіт/с, і ця смуга ділиться між усіма модемами та всіма користувачами, підключеними з кожного модему.

Рекордні швидкості передачі даних на ділянці "останньої милі" поряд з хорошою стабільністю та надійністю зв'язку, дають користувачам Ethernet-ліній можливість використовувати мережу не тільки для роботи в Інтернет, але й для обміну мультимедійним трафіком.

Як працює Ethernet у масштабах міста:

Як же технологія, що спочатку орієнтована на використання всередині будівель та офісів, змогла зрости до розмірів загальноміської мережі?

Оптоволоконні магістралі

Порівняно з мідними парами, оптоволоконні лінії абсолютно незалежні від погодних умов, не бояться електромагнітних наведень, не горять від грозових розрядів, дуже стабільні і довговічні. Низькі втрати при поширенні світла в кварцовому волокні уможливили зв'язати між собою сегменти мережі, віддалені на відстані кілька кілометрів один від одного. Якщо Ви потребуєте найбільшої надійності, що гарантується оптоволокном, ми заведемо оптику безпосередньо в офіс або квартиру. Але при цьому, звісно, ​​зросте вартість підключення.

Топологія “кільце “.

Хоч і рідко, але аварії трапляються. Абсолютної надійних ліній, на жаль, не існує – завжди є ймовірність руйнування магістралей, наприклад, зловмисниками, або під час проведення робіт комунальними службами.

Але оскільки основні магістралі мають як мінімум дворазове резервування, навіть розрив магістральної лініїчасто залишається непомітним для користувачів – керовані комутатори автоматично перемикаються на резервну лінію, і навіть у гіршому варіанті, перерва у наданні послуги зведена до мінімуму.

Підключення абонентів по кручений парі

Незважаючи на широке використання оптоволоконних ліній, мідна кручена пара, як і раніше, використовується при підключенні абонентів на ділянці “вузол мережі – клієнт”. Зважаючи на невелику собівартість і простоту монтажу, кручена пара поки не має гідних конкурентів за співвідношенням “ціна/якість”, і застосовується для прокладання всередині будівель та офісів, пов'язуючи користувача з найближчим концентратором мережі.

Перспективи

Ethernet практично єдина технологія, яка здатна зробити широкосмуговий доступ до Інтернету справді масовою послугою. Вона вже зараз робить постійний доступ до Інтернету настільки ж популярним, яким до останнього часу був комутований доступ. Поширення доступу до Інтернету через Ethernet можна порівняти з тією революцією, яка сталася кілька років тому в галузі мобільної телефонного зв'язку– з екзотики для VIP-персон “мобільник” перетворився на масову та загальнодоступну послугу.

Ethernet має дуже хороший потенціал для подальшого розвитку – вже розроблені стандарти, що дозволяють у десятки разів збільшити і так високу швидкість передачі даних, а мережні пристрої постійно дешевшають.

На сьогоднішній день у технології доступу до Інтернету через Ethernet є всі права називатися "Народним Інтернетом"

EtherNet стандарт IEEE 802.3

Це найпоширеніший на сьогодні стандарт технології мережі.

особливості:

• працює з коаксіальним кабелем, витою парою, оптичними кабелями;
• топологія – шина, зірка;
• Метод доступу – CSMA/CD.

Архітектура мережевої технології Ethernet фактично поєднує цілий набір стандартів, що мають як загальні риси, і відмінності.

Технологія Ethernet була розроблена разом із багатьма першими проектами корпорації Xerox PARC. Загальноприйнято вважати, що Ethernet був винайдений 22 травня 1973, коли Роберт Меткалф склав доповідну записку для глави PARC про потенціал технології Ethernet. Але законне право на технологію Меткалф отримав за кілька років. У 1976 році він та його помічник Девід Боггс видали брошуру під назвою «Ethernet: Distributed Packet Switching For Local Computer Networks». Меткалф пішов з Xerox у 1979 році та заснував компанію 3Com для просування комп'ютерів та локальних обчислювальних мереж. Йому вдалося переконати DEC, Intel та Xerox працювати спільно та розробити стандарт Ethernet (DIX). Вперше цей стандарт було опубліковано 30 вересня 1980 року.

Подальший розвиток технології EtherNet:

• 1982-1993 розробка 10Мбіт/с EtherNet;
• 1995-1998 розробка Fast EtherNet;
• 1998-2002 Розробка GigaBit EtherNet;
• 2003-2007 розробка 10GigaBit EtherNet;
• 2007-2010 розробка 40 та 100GigaBit EtherNet;
• 2010 до сьогодні розробка Terabit Ethernet.

На рівні MAC, який забезпечує доступ до середовища та передачі кадру, для ідентифікації мережевих інтерфейсіввузлів мережі використовуються регламентовані стандартом унікальні 6-байтові адреси, які називають MAC-адресами. Зазвичай MAC-адреса записується у вигляді шести пар шістнадцяткових цирф, розділених тире або двокрапками, наприклад 00-29-5E-3C-5B-88. Кожен мережевий адаптер має MAC-адресу.

Структура MAC-адреси Ethernet:

• перший біт MAC-адреси одержувача називається бітом I/G (individual/group або широкомовним). На адресі джерела він називається індикатором маршруту від джерела (Source Route Indicator);
• другий біт визначає спосіб призначення адреси;
• три старші байти адреси називаються захисною адресою (Burned In Address, BIA) або унікальним ідентифікатором організації (Organizationally UniqueIdentifier, OUI);
• за унікальність молодших трьох байт адреси відповідає виробник.

Деякі мережеві програми, зокрема wireshark, можуть відразу відображати замість коду виробника - назву фірми виробника цієї карти.

Формат кадру технології EtherNet

У мережах Ethernet існує 4 типи кадрів (кадрів):

• кадр 802.3/LLC (або кадр Novell802.2),
• кадр Raw 802.3 (або кадр Novell 802.3),
• кадр Ethernet DIX (або кадр Ethernet II),
• кадр Ethernet SNAP.

На практиці в обладнанні EtherNet використовується лише один формат кадру, а саме кадр EtherNet DIX, який іноді називають кадром за номером останнього стандарту DIX.

• Перші два поля заголовка відведені за адресами:
• DA (Destination Address) – MAC-адреса вузла призначення;
• SA (Source Address) – MAC-адреса вузла відправника. Для доставки кадру достатньо однієї адреси – адреси призначення, адреса джерела міститься у кадр у тому, щоб вузол, який отримав кадр, знав, від кого прийшов кадр і кому треба відповісти.
• Поле T (Type) містить умовний код протоколу верхнього рівня, дані якого перебувають у полі даних кадру, наприклад шістнадцяткове значення 08-00 відповідає проколу IP. Це поле необхідне підтримки інтерфейсних функцій мультиплексування і демультиплексування кадрів при взаємодії з протоколами верхніх рівнів.
• Поле даних. Якщо довжина даних даних менше 46 байт, то це поле доповнюється до мінімального розмірубайтами заповнення.
• Поле контрольної послідовності кадру (Frame Check Sequence, FCS) складається з 4 байт контрольної суми. Це значення обчислюється за алгоритмом CRC-32.

Кадр EtherNet DIX (II) не відображає поділу канального рівня EtherNet на рівень MAC і рівень LLC: його поля підтримують функції обох рівнів, наприклад інтерфейсні функції поля T відносяться до функцій рівня LLC, тоді як інші поля підтримують функції рівня MAC.

Розглянемо формат кадру EtherNet II на прикладі перехопленого пакета за допомогою мережевого аналізатора Wireshark

Зверніть увагу, що оскільки MAC адреса складається з коду виробника та номера інтерфейсу, то мережевий аналізатор відразу перетворює код виробника на назву фірми-виробника.

Таким чином, у технології EtherNet як адреса призначення та адреси одержувача виступають MAC адреси.

Стандарти технології Ethernet

Фізичні специфікації технології Ethernet включають такі середовища передачі.

• l0Base-5 - коаксіальний кабель діаметром 0,5 дюйма (1дм = 2,54см), званий "товстим" коаксіальним кабелем, з хвильовим опором 50Ом.
• l0Base-2 – коаксіальний кабель діаметром 0,25 дюйма, званий «тонким» коаксіальним кабелем, з хвильовим опором 50Ом.
• l0Base-T - кабель на основі неекранованої кручений пари (Unshielded Twisted Pair, UTP), категорії 3,4,5.
• l0Base-F – волоконно-оптичний кабель.

Число 10 позначає номінальну бітову швидкість передачі даних стандарту, тобто 10Мбіт/с, а слово «Base» - метод передачі на одній базовій частоті. Останній символпозначає тип кабелю.

Кабель використовується як моноканал всім станцій, максимальна довжина сегмента 500м. Станція підключатися до кабелю через приймач - трансівер. Трансівер з'єднується з мережним адаптеромрознімання DB-15 інтерфейсним кабелем AUI. Потрібна наявність термінаторів на кожному кінці, для поглинання сигналів, що поширюються по кабелю.

Правила "5-4-3" для коаксіальних мереж:

Стандарт мереж на коаксіальному кабелі дозволяє використання в мережі не більше 4 повторювачів та, відповідно, не більше 5 сегментів кабелю. При максимальній довжині сегмента кабелю 500 м це дає максимальну довжину мережі 500*5=2500 м. Тільки 3 сегменти з 5 можуть бути навантаженими, тобто такими, до яких підключаються кінцеві вузли. Між навантаженими сегментами мають бути ненавантажені сегменти.

l0Base-2

Кабель використовується як моноканал для всіх станцій, максимальна довжина сегмента 185 м. Для підключення кабелю до мережі потрібний T-коннектор, а на кабелі повинен бути BNC-коннектор.

Також використовується правило 5-4-3.

l0Base-T

Утворює зіркоподібну топологію на основі концентратора, концентратор здійснює функцію повторювача та утворює єдиний моноканал, максимальна довжина сегмента 100м. Кінцеві вузлиз'єднуються за допомогою двох кручених пар. Одна пара передачі даних від вузла до концентратора - Tx, а інша передачі даних від концентратора до вузла – Rx.
Правила «4-х хабів» для мереж на основі крученої пари:
У стандарті мереж на кручений парі визначено максимальну кількість концентраторів між будь-якими двома станціями мережі, а саме 4. Це правило носить назву «правила 4-х хабів». Очевидно, якщо між будь-якими двома вузлами мережі не повинно бути більше 4-х повторювачів, то максимальний діаметр мережі на основі кручений пари становить 5*100 = 500 м (максимальна довжина сегмента 100м).

10Base-F

Функціонально мережа Ethernet на оптичному кабеліскладається з тих же елементів, що й мережа стандарту 10Base-T

Стандарт FOIRL (Fiber Optic Inter-Repeater Link) – перший стандарт комітету 802.3 для використання оптоволокна в мережах Ethernet. Мах довжина сегмента 1000м, мах число хабів 4, за загальної довжини мережі трохи більше 2500 м.

Стандарт 10Base-FL незначне покращення стандарту FOIRL. Мах довжина сегмента 2000 м. Максимальне число хабів 4 а максимальна довжина мережі - 2500 м.

Стандарт 10Base-FB призначений лише для з'єднання повторювачів. Кінцеві вузли не можуть використовувати цей стандарт для приєднання до портів концентратора. Мах число хабів 5, мах довжина одного сегмента 2000 м-коду і максимальної довжині мережі 2740 м-коду.

Таблиця. Параметри специфікацій фізичного рівня для стандарту Ethernet

При розгляді правила "5-4-3" або "4-х хабів", у разі появи на шляху розповсюдження по кабелях уявного сигналу пристрою типу "свіч", розрахунок топологічних обмежень починається з нуля.

Пропускна спроможність мережі Ethernet

Пропускна здатність оцінюється через кількість кадрів чи кількість байт даних, переданих через мережу за одиницю часу. Якщо мережі не відбуваються колізії, максимальна швидкість передачі кадрів мінімального розміру(64 байти) становить 14881 кадрів на секунду. У цьому корисна пропускну здатність для кадрів Ethernet II – 5.48 Мбіт/с.

Максимальна швидкість передачі кадрів максимального розміру(1500 байт) складає 813 кадрів за секунду. Корисна пропускна здатність при цьому становитиме 9.76 Мбіт/с.

У рамках цієї книги ми розглянемо локальні мережі, створені з використанням найпопулярнішої та найпоширенішої в наші дні технології - Ethernet. Ця технологіяз'явилася в 70-ті роки XX століття, коли інженер-дослідник з Массачусетського технологічного інституту Білл Меткалф, який співпрацював також із дослідницьким центром компанії Xerox у м. Пало-Альто, підготував докторську дисертацію, присвячену методикам організації комп'ютерних комунікацій. Незабаром спільно з фахівцями з корпорацій Intel та DEC (Digital Equipment Corporation) фірма Xerox розробила на основі цієї дисертації комерційний стандарт, який отримав назву Ethernet. Трохи пізніше, в 1980 році, стандарт Ethernet ліг в основу універсальної специфікації для локальних мереж, побудованих за принципом множинного доступу, визначення частоти, що несе, і автоматичного виявлення збоїв (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection, CSMA/CD); ця специфікація, розроблена Інститутом інженерів з радіотехніки та електроніки (Institute of Electrical and Electronic Engineers, IEEE), отримала назву IEEE 802.3. Оскільки стандарти IEEE 802.3 та Ethernet вкрай близькі не лише за своєю ідеологією, а й з точки зору технічної сумісності, в сучасній літературі їх зазвичай називають загальним терміном - Ethernet. Далі ми також дотримуватимемося цієї традиції.
Очевидно, що технологія Ethernetнакладає власні обмеження не тільки на архітектуру локальної мережі, а й на її технічні характеристики. Причому такі обмеження мають кілька своєрідних логічних рівнів: з одного боку, вони визначають спосіб підключення
комп'ютерів до мережі, з іншого - підкреслюють різницю між різними типамимереж за ознакою використовуваного устаткування, типу кабелю чи швидкості передачі. Про це ми й поговоримо далі у цьому розділі.

У межах стандарту Ethernet прийнято розрізняти кілька типів побудови розподіленої обчислювальної системи, з її топологічної структури. Фактично можна сказати, що топологія локальної мережі – це конфігурація кабельних з'єднаньміж комп'ютерами, виконаних за єдиним принципом. Яка-небудь конкретна топологія мережі вибирається, по-перше, виходячи з обладнання, яке, як правило, підтримує якийсь суворо певний варіант організації мережевих підключень; по-друге, на основі наявних вимог до мобільності, масштабованості та обчислювальної потужності всієї системи в цілому. У ряді ситуацій можлива організація кількох підмереж, побудованих з використанням різних топологій та пов'язаних згодом у єдину мережу. Зокрема, стосовно стандарту Ethernet можлива організація локальних мереж з топологією. загальна шина» або «зірка».

Топологія «загальна шина»

Технологія побудови локальної мережі на основі топології «загальна шина» має на увазі послідовне з'єднання комп'ютерів у ланцюжок на кшталт «гірлянди» з використанням спеціальних Т-подібних роз'ємів (Т-конекторів), що підключаються до відповідного порту мережного адаптера кожного з вузлів мережі. Як фізична лінія передачі даних застосовується коаксіальний кабель з пропускною здатністю 10 Мбіт/с. Краї «ланцюжка», тобто відгалуження Т-подібних роз'ємів, до яких не підводиться кабель для приєднання до сусідніх комп'ютерів, обмежуються спеціальними металевими ковпачками, що створюють в мережі необхідний опір навантаження, - вони називаються заглушками або термінаторами (рис. 3.1).

Мал. 3.1. Конфігурація локальної мережі із топологією «загальна шина»

Слід зазначити, що популярні локальні мережі з топологією «загальна шина» в даний час все більше і більше втрачають свої позиції. Причина зниження їхньої популярності цілком очевидна. Незважаючи на видиму простоту прокладки та монтажу, - а для будівництва такої мережі необхідні лише мінімальні навички поводження з пасатижами або паяльником - і відносну мобільність з погляду зміни конфігурації всієї системи (адже для того, щоб переставити мережевий комп'ютер з місця на місце, достатньо лише відкрутити і закрутити відповідний роз'єм), такі мережі мають безліч очевидних недоліків. І найістотніший з них – вкрай низька надійність. Достатньо статися втраті контакту в одному з термінаторів або численних Т-конекторів, що на практиці трапляється досить часто, і цілий сегмент локальної мережі виходить з ладу. У такій ситуації всі мережеві комп'ютери продовжують працювати цілком стабільно, але зненацька перестають «бачити» один одного, внаслідок чого системному адміністратору доводиться послідовно проходити всю мережу, перевіряючи наявність контакту в роз'ємах, що часом займає дуже багато часу. Саме тому топологія «загальна шина» ідеально підходить для створення малої домашньої мережі «точка-точка», тобто для об'єднання двох комп'ютерів, але у разі більш складної та розгалуженої мережевої структури слід подумати про можливість використання іншої конфігурації.

Топологія «зірка»

Альтернативою топології "загальна шина" в мережах Ethernet є зіркоподібна конфігурація локальної мережі (рис. 3.2).

Мал. 3.2. Конфігурація локальної мережі з топологією «зірка»

У цьому випадку комп'ютери з'єднуються між собою не послідовно, а паралельно, тобто кожен із вузлів мережі підключається власним
відрізком дроту до відповідного порту якогось пристрою, званого концентратором, або хабом (від англ. Hub - центр). Як лінію передачі даних використовується спеціальний неекранований кабель «вита пара» (twisted pair), який забезпечує з'єднання зі швидкістю до 10 Мбіт/с. За допомогою "витої пари" можлива також організація мережі з двох комп'ютерів за принципом "точка-точка", при цьому машини можна підключати один до одного безпосередньо, без використання концентратора, проте порядок монтажу контактів у роз'ємах мережевого шнурау цьому випадку дещо відрізняється від стандартного.
Переваги топології «зірка» в порівнянні із «загальною шиною» полягають у більш високій надійності та відмовостійкості локальної мережі, в ній значно рідше виникають «затори», та й кінцеве обладнання працює по «крученій парі» на порядок швидше. При цьому у разі виходу з ладу одного з вузлів мережі решта системи продовжує працювати стабільно: повна відмоватакий локальної мережі відбувається лише за поломці концентратора. Безумовно, організація мережевої системина основі топології «зірка» вимагає значно більших фінансових витрат, але вони цілком і повністю виправдовуються, коли йдеться про необхідність забезпечити надійний зв'язок між комп'ютерами, що працюють у мережі.

Класи мереж Ethernet

Перш ніж ми перейдемо до безпосереднього розгляду принципів організації локальної мережі, необхідно сказати кілька слів про технологічні класи, куди діляться мережі стандарту Ethernet. Дані класи відрізняються, передусім, пропускною спроможністю ліній, типом використовуваного кабелю, топологією та іншими характеристиками. Кожен із класів мереж Ethernet має власне позначення, що відображає його технічні характеристики, таке позначення має вигляд XBase/BroadY, де X - пропускна здатність мережі, позначення Base або Broad говорить про метод передачі сигналу - основополосний (baseband) або широкосмуговий (broadband), і , нарешті, число У відображає максимальну довжину сегмента мережі в сотнях метрів, або позначає тип кабелю, що використовується в такій системі, який і накладає обмеження на максимально можливу відстань між двома вузлами мережі, виходячи з власних технічних характеристик. Наприклад, мережа класу 10Base2 має пропускну здатність 10 Мбіт/с, використовує метод передачі даних baseband і допускає максимальну довжину сегмента в 200 м. Далі ми розглянемо кілька існуючих класів мереж Ethernet і поговоримо про їх особливості та можливості.

Клас 10Base5 (Thick Ethernet)

Клас 10Base5, який також іноді називають «товстим Ethernet», – це один із найстаріших стандартів локальних мереж. Сьогодні вже дуже важко знайти у продажу обладнання цього типу, тим більше важко знайти діючу мережу, що працює з цим типом пристроїв.
Мережі стандарту 10Base5 використовували топологію «загальна шина» та створювалися на основі коаксіального кабелю з хвильовим опором 50 Ом та пропускною здатністю 10 Мбіт/с. Загальна шина локальної мережі обмежувалася з обох боків термінаторами, проте крім Т-конекторів у подібних системах використовувалися спеціальні пристрої, що отримали загальну назву «трансівери», що походить від поєднання англійських понять transmitter (передавач) та receiver (приймач). Власне, трансівери були приймачами і передавачами даних між комп'ютерами, що працюють у мережі, і самою мережею (рис. 3.3). Крім функцій власне приймача-передавача інформації, трансівери забезпечували надійну електроізоляцію працюючих у мережі комп'ютерів, а також виконували функції пристрою, що знижує рівень сторонніх електростатичних перешкод. Максимальна довжинакоаксіального кабелю, протягнутого між трансівером та мережним адаптером комп'ютера (трансіверного кабелю) у таких мережах може досягати 25 м, максимальна довжина одного сегмента мережі (відрізка мережі між двома термінаторами) – 500 м, а мінімальна відстань між точками підключення – 2,5 м. Усього в одному сегменті мережі 10Base5 може працювати не більше 100 комп'ютерів, при цьому кількість спільно працюючих сегментів мережі не повинна перевищувати п'яти.

Мал. 3.3. Конфігурація локальної мережі класу 10Base5

Клас 10Base2

Локальні мережі, що відносяться до класу 10Base2, який іноді називають Thin Ethernet, є прямими «спадкоємцями» мереж 10Base5. Як і в попередньому випадку, для з'єднання комп'ютерів використовується тонкий екранований коаксіальний кабель з хвильовим опором 50 Ом, оснащений Т-конекторами і термінаторами, однак у такій конфігурації Т-конектори підключаються до гнізда мережної карти безпосередньо, без використання будь-яких проміжних пристроїв (рис. 3.1). Відповідно така мережа має стандартну конфігурацію «загальна шина». Максимальна довжина одного сегмента мережі 10Base2 може досягати 185 м, мінімальна відстань між точками підключення становить 0,5 м. Найбільша кількістькомп'ютерів, що підключаються до одного сегмента такої мережі, не повинно перевищувати 30, максимально допустима кількість сегментів мережі становить 5. Пропускна здатність цієї мережі, як це випливає з позначення її класу, становить 10 Мбіт/с.

Клас 10BaseT (Ethernet на «крученій парі»)

Одним із найпоширеніших сьогодні класів локальних мереж Ethernet є мережі 10BaseT. Як і стандарт 10Base2, такі мережі забезпечують передачу даних зі швидкістю 10 Мбіт/с, проте використовують у своїй архітектурі топологію «зірка» та будуються із застосуванням спеціального кабелю, що називається twisted pair, або «вита пара» (рис. 3.2). Фактично кручена пара являє собою восьмижильйий провід, в якому для обміну інформацією по мережі використовується лише дві пари провідників: одна - для прийому сигналу, і одна - для передачі. Як центральна ланка в зіркоподібній структурі локальної мережі 10BaseT застосовується спеціальний пристрій, зване хабом, або концентратором Для побудови розподіленої обчислювальної системи, що складається з декількох мережевих сегментів, можливе підключення кількох хабів у вигляді каскаду, або приєднання через хаб до мережі 10BaseT локальної мережі іншого класу (рис. 3.4), проте слід враховувати ту обставину, що загальна кількість точок підключення до такої системі не повинно перевищувати 1024.
Максимально допустима відстань між вузлами мережі 10BaseT становить 100 м, але можна сказати, що це значення взято скоріше з практики побудови таких мереж, оскільки стандарт 10BaseT передбачає інше обмеження: згасання сигналу на відрізку між приймачем і джерелом не повинно перевищувати порога 11,5 децибела . Саме даний класлокальних мереж нарівні з 10Base2 докладно розглядатиметься далі на сторінках цієї книги.

Мал. 3.4. Приклад реалізації багатосегментної локальної мережі Ethernet

Клас10BaseF (Fiber Optic)

До класу 10BaseF (інша назва - Fiber Optic) прийнято відносити розподілені обчислювальні мережі, сегменти яких з'єднані за допомогою магістрального оптоволоконного кабелю, Довжина якого може досягати 2 км. Очевидно, що через високу вартість такі мережі використовуються в основному в корпоративному секторі ринку і по кишені вони досить великим підприємствам, які мають необхідні засоби для організації подібної системи.
Мережа 10BaseF має зіркоподібну топологію, яка однак відрізняється від архітектури, прийнятої для мереж 10BaseT (рис. 3.5).

Мал. 3.5. Конфігурація локальної мережі класу 10BaseF

Комп'ютери кожного сегмента такої мережі підключаються до хаба, який, у свою чергу, з'єднується із зовнішнім трансівером мережі 10BaseF за допомогою спеціального комунікаційного шнура, що підключається до 15-контактного роз'єму AUI (Attachment Unit Interface). Завдання трансівера полягає в тому, щоб, отримавши зі свого сегмента мережі електричний сигналтрансформувати його в оптичний і передати в оптоволоконний кабель. Приймачем оптичного сигналу є аналогічний пристрій, який перетворює його на послідовність електричних імпульсів, що направляються у віддалений сегмент мережі.
Переваги оптичних ліній зв'язку перед традиційними є незаперечними. Насамперед діелектричне волокно, що використовується в оптоволоконних кабелях як хвилеводи, має унікальні фізичні властивості, завдяки яким згасання сигналу в такій лінії вкрай мало: воно становить величину близько 0,2 дБ на кілометр при довжині хвилі 1,55 мкм, що потенційно дозволяє передавати інформацію на відстані до 100 км. без використання додаткових підсилювачів та ретрансляторів. Крім того, в оптичних лініях зв'язку частота несучого сигналу досягає 1014 Гц, а це означає, що швидкість передачі даних по такій магістралі може становити 1012біт за секунду. Якщо взяти до уваги той факт, що кілька світлових хвиль може одночасно поширюватися у світловоді різних напрямках, то цю швидкість можна значно збільшити, організувавши між кінцевими точками оптоволоконного кабелю двонаправлений обмін даними. Інший спосіб подвоїти пропускну здатність оптичної лінії зв'язку полягає в одночасної передачі оптоволокном декількох хвиль з різною поляризацією. Фактично можна сказати, що на сьогоднішній день максимально можлива швидкість передачі інформації по оптичних лініях поки що не досягнута, оскільки досить жорсткі обмеження на «швидку дію» подібних мереж накладає кінцеве обладнання. Воно ж «відповідально» і щодо високу вартістьвсієї системи загалом, оскільки діелектричний кварцовий світловод сам собою значно дешевше традиційного мідного проводу. На завершення можна згадати і той факт, що оптична лінія в силу природних фізичних законів абсолютно не піддається впливу електромагнітних перешкод, а також має істотно більший ресурс довговічності, ніж лінія, виготовлена ​​зі стандартного металевого провідника.

Класи 100BaseT, 100BaseTX, 100ВаseТ4 і 100BaseFX

Клас локальних мереж 100BaseT, званий також Fast Ethernet, з'явився нещодавно: він був створений в 1992 році групою розробників,
що називається Fast Ethernet Alliance (FEA). Фактично Fast Ethernet є «спадкоємцем» мереж стандарту 10BaseT, проте на відміну від них дозволяє передавати дані зі швидкістю до 100 Мбіт/с. "як і мережі 10BaseT, локальні мережі Fast Ethernet мають зоряну топологію і можуть бути зібрані з використанням кабелю різних типів, найбільш часто застосовуваним з яких є все та ж ресловута кручена пара. 1995 року даний стандартбув схвалений Інститутом інженерів з радіотехніки та електроніки (Institute of Electrical and electronic Engineers, IEEE) і увійшов у специфікацію IEEE 802.3 (це розширення специфікації одержало позначення IEEE 802.3u), знайшовши тим самим офіційний статус.
Оскільки клас мереж 100BaseT є прямим нащадком класу OBaseT, у таких системах використовуються стандартні для Ethernet прото-ели передачі даних, а також стандартне прикладне програмне забезпе-чення, призначене для адміністрування локальної мережі, що спа->1тіло спрощує перехід від одного типу мережі до іншому. Передбачається, що в недалекому майбутньому ця технологія витіснить більшість «застарілих» стандартів, що існують на сьогоднішній день, оскільки в процесі розробки даної специфікації однією з основних дач було збереження сумісності нового різновиду локальних: тій з різними типами кабелю, використовуваного в мережах. >1ло створено кілька модифікацій стандарту Fast Ethernet. Технологія)0BaseTX має на увазі використання стандартної кручений пари п'ятої рргорії, в якій задіяно тільки чотири провідники з восьми віються: два - для прийому даних, і два - для передачі. Таким чином, мережі забезпечується двонаправлений обмін інформацією і, крім того, тається потенційна можливість для подальшого нарощування произ-ггельності всієї розподіленої обчислювальної системи. У мережах 100BaseT4 також використовується кручена пара, проте в пей задіяні всі вісім жил юводника: одна пара працює тільки на прийом даних, одна - тільки t передачу, а дві, що залишилися, забезпечують двонаправлений обмін інформацією. Оскільки технологія 100BaseT4 передбачає поділ всіх анодованих по мережі даних на три незалежні логічні канали (прийом, передача, передача), пропорційно зменшується частота сигналу, дозволяє прокладати такі мережі з використанням менш якісний і, отже, більш дешевого кабелю 3 або 4 категорії, нарешті, останній стандарт у сімействі Fast Ethernet носить найменування 100BaseFX. Призначений він для роботи з оптоволоконними лініямизв'язку.
Максимальна довжина одного сегмента в мережах 100BaseT (крім підкласу 100BaseFX) не перевищує 100 м, як кінцеве обладнання використовуються мережні адаптери та концентратори, що підтримують цей стандарт. Існують також універсальні мережеві адаптери 10BaseT/100BaseT. Принцип їх роботи полягає в тому, що в локальних мережах цих двох класів використовуються однакові лінії з тим самим типом роз'ємів, а завдання автоматичного розпізнавання пропускну здатністьКожна конкретна мережа (10 Мбіт/с або 100 Мбіт/с) покладається на протокол канального рівня, що є частиною програмного забезпечення самого адаптера. Алгоритм роботи такого пристрою можна проілюструвати на прикладі. При включенні комп'ютера, оснащеного мережним адаптером 10BaseT/100BaseT, останній видає в мережу сигнал, що інформує інші мережні пристрої про те, що він може підтримувати швидкість передачі даних до 100 Мбіт/с. Якщо обладнання локальної мережі (наприклад, хаб, до якого підключено даний комп'ютер) забезпечує аналогічну швидкість з'єднання, воно генерують сигнал у відповідь, після чого адаптер продовжує працювати в режимі 100BaseT. Якщо відгуку не надходить, мережна карта автоматично переходить у режим передачі зі швидкістю 10 Мбіт/с, тобто переключається працювати у стандарті 10BaseT.
Незважаючи на всі переваги специфікації 100BaseT, такі мережі порівняно з більш старими реалізаціями Ethernet не позбавлені й низки недоліків, успадкованих від свого прабатька - стандарту 10BaseT. Насамперед у моменти пікового навантаження, тобто у разі виникнення ситуації, коли до ресурсів мережі одночасно звертається понад 50% всіх вузлів, на лінії утворюється добре знайомий користувачам 10BaseT «затор» - іншими словами, мережа починає помітно «гальмувати». І по-друге, якщо у розподіленій обчислювальної системизастосовується комбінована технологія(одна частина мережі працює зі стандартом 10BaseT, інша - зі стандартом 100BaseT), висока швидкістьз'єднання буде можлива тільки на ділянці, що підтримує пропускну здатність 100 Мбіт/с. Тому навіть якщо ваш комп'ютер оснащений мережним адаптером 100BaseT, при зверненні до віддаленого вузла, обладнаного мережевою картою 10BaseT, швидкість з'єднання не перевищить 10 Мбіт/с.

Клас1000BaseT (Gigabit Ethernet)

Чим швидше зростають обчислювальні потужностісучасних персональних комп'ютерів, тим паче стає середньостатистичний обсяг оброблюваних з допомогою файлів. Відповідно виникає потреба у пропорційному збільшенні пропускної спроможності ліній зв'язку. У результаті це помітно прискорило процес еволюції мережевих технологій: не встиг остаточно прижитися стандарт 100BaseT, як йому на зміну прийшов час. новий класлокальних мереж, що дозволяють передавати інформацію зі швидкістю до гігабіту за секунду. Ці мережі отримали позначення 1000BaseT і альтернативна назва Gigabit Ethernet.
У архітектурі сетей1000BaseT використовується топологія «зірка» з урахуванням високоякісного кабелю «вита пара» категорії 5, у якому задіяні всі вісім жил, причому кожна з чотирьох пар провідників використовується як прийому, так передачі інформації. У порівнянні з технологією 100BaseT, несуча частота в мережах 1000BaseT збільшена вдвічі, завдяки чому досягається десятикратне збільшення пропускної спроможності лінії зв'язку. При переході від стандарту 10BaseT або 100BaseT до 1 OOOBaseT особливі вимогипред'являються до якості монтажу мережевих розетокта роз'ємів: якщо мережа прокладена у повній відповідності до існуючих стандартів, вона, швидше за все, зможе забезпечити необхідну швидкість передачі даних, якщо ж монтаж був виконаний з відхиленнями від вимог специфікації Ethernet, що виникають у з'єднаннях перешкоди не дозволять досягти розрахункових характеристик. Як і в ранніх класах мереж XBaseT, довжина одного сегмента Gigabit Ethernet не повинна перевищувати 100 м.
Стандарт1000BaseT був офіційно підтверджений Інститутом інженерів з радіотехніки та електроніки (Institute of Electrical and Electronic Engineers, IEEE) у 1999 році, та включений до специфікації IEEE 802.3. В даний час обладнання для даного типумереж випускається кількома незалежними виробниками комп'ютерного заліза.

Пристрої switch у мережах 10BaseT

Одночасно з розробкою нових, більш високошвидкісних технологій передачі даних, перед виробниками комп'ютерного обладнання, як і раніше, стояло завдання знайти будь-які способи збільшення продуктивності локальних мереж Ethernet старого зразка, мінімізувавши при цьому як фінансові витрати на придбання нових пристроїв, так і технологічні витрати на модернізацію. вже існуючої мережі. Оскільки клас 10Base2 був одностайно визнаний усіма розробниками «вимираючим», експерти зосередилися на технології 10BaseT. І відповідне рішення незабаром було знайдено.
Як відомо, стандарт Ethernet має на увазі використання алгоритму широкомовної передачі інформації. Це означає, що в заголовку будь-якого блоку даних, що пересилається по мережі, присутня інформація
про кінцевого одержувача цього блоку, та програмне забезпечення кожного комп'ютера локальної мережі, приймаючи такий пакет, щоразу аналізує його вміст, намагаючись «з'ясувати», чи варто передати дані протоколам вищого рівня (якщо прийнятий блок інформації призначений саме цьому комп'ютеру) або ретранслювати його назад у мережу (якщо блок даних прямує іншу машину). Вже одне помітно уповільнює роботу всієї локальної мережі. А якщо взяти до уваги той факт, що пристрої, які використовуються як центральний модуль локальних мереж з топологією «зірка» - концентратори, або хаби - забезпечують не паралельну, а послідовну передачу даних, то ми виявляємо ще одну «слабку ланку», яка не лише знижує швидкість всієї системи, а й нерідко стає причиною «заторів» у випадках, коли, наприклад, на той самий вузол одночасно відсилається кілька потоків даних від різних комп'ютерів-відправників. Якщо покласти завдання початкового сортування пакетів на хаб, то цю проблему можна було б частково вирішити. Що й було зроблено. Так з'явився світ пристрій, згодом названий switch, або комутатор. Switch повністю замінює в структурі локальної мережі 10BaseT хаб, та й виглядають ці два пристрої практично однаково, проте принцип роботи комутатора має цілу низку істотних відмінностей. Основна відмінність полягає в тому, що вбудоване в switch програмне забезпечення здатне самостійно аналізувати вміст блоків даних, що пересилаються по мережі, і забезпечувати пряму передачу інформації між будь-якими двома зі своїх портів незалежно від всіх інших портів пристрою. Давайте проілюструємо цю ситуацію простому прикладі (рис. 3.6). Припустимо, ми маємо switch, оснащений 16 портами. До порту 1 підключений комп'ютер А, який передає деяку послідовність даних комп'ютера, приєднаному до 16-го порту. На відміну від хаба, отримавши цей пакет даних, switch не ретранслює його по всіх портах, що є в його розпорядженні в надії, що рано чи пізно він досягне адресата, а проаналізувавши інформацію, що міститься в пакеті, передає його безпосередньо на 16-й порт. У той же час на порт 9 комутатора приходить блок інформації з іншого сегмента локальної мережі 10BaseT, підключеного до пристрою через власний хаб. Оскільки цей блок адресований комп'ютеру, він відразу відправляється на порт 3, до якого той приєднаний. Слід розуміти, що дві операції switch виконує одночасно і незалежно друг від друга. Очевидно, що за наявності 16 портів ми можемо одночасно спрямовувати через switch 8 пакетів даних, оскільки порти задіяні парами. Таким чином, сумарна пропускна здатність даного пристрою становитиме 8 х 10 = 80 Мбіт/с,
що суттєво прискорить роботу мережі, тоді як на кожному окремому підключенні збережеться стандартне значення 10 Мбіт/с. Іншими словами, при використанні комутатора ми зменшуємо час проходження пакетів через мережну систему, не збільшуючи фактичну швидкість з'єднання.

Мал. 3.6. Принцип роботи пристрою switch

Репітери (повторники)

Раніше вже згадувалося, що в локальних мережах будь-якого класу передбачені жорсткі обмеження на довжину ділянки мережі між двома точками підключення. Дані обмеження пов'язані, передусім, з коефіцієнтом загасання сигналу лінії передачі даних, який повинен перевищувати певного порогового значення: інакше впевнений прийом інформації стане неможливий. Найбільше в цьому випадку виграють мережі, побудовані із застосуванням ліній із оптичного волокна. Оскільки коефіцієнт загасання у цьому середовищі дуже малий, оптоволоконний кабель можна прокладати на значні відстані без втрати якості зв'язку. Разом з тим, згаданий спосіб об'єднання віддалених сегментів LAN в єдину систему досить дорогий. Як бути, якщо на якомусь підприємстві експлуатується стандартна локальна мережа з пропускною здатністю в 10 Мбіт/с, окремі ділянки якої, наприклад мережа бухгалтерії та складу, знаходяться на значній відстані один від одного, а перед керівництвом фірми виникла необхідність об'єднати їх між собою ? Тут нам на допомогу приходять спеціальні пристрої, які називають репітерами або повторювачами.
Репітери оснащені як мінімум двома, а іноді і великою кількістю мережевих портів з одним із стандартних інтерфейсів, і приєднуються вони безпосередньо до локальної мережі на максимально допустимій відстані від найближчої точки підключення (для мереж класу 10BaseT воно становить 100 м). Отримавши сигнал з одного зі своїх портів, репітер формує його заново з метою виключити будь-які втрати та спотворення, що відбулися в процесі його передачі, після чого ретранслює результуючий сигнал на всі інші порти. Таким чином, при проходженні сигналу через репітер відбувається його посилення та очищення від сторонніх перешкод. У деяких випадках повторювач виконує також функцію поділу сигналів, що ретранслюються: якщо на одному з портів постійно фіксується надходження даних з помилками, це означає, що в сегменті мережі, підключеному через даний порт, сталася аварія, і репітер перестає приймати сигнали з цього порту, щоб не передавати помилки решті мережевим сегментам, тобто транслювати їх у всю мережу.
Разом з тим при практичному використанні репітерів набирають чинності досить жорсткі правила, що регламентують їх число та розташування в локальній мережі. Основний недолік повторювачів полягає в тому, що в момент проходження сигналів через пристрій відбувається помітна затримка при пересиланні даних. Протоколи канального рівня Ethernet, які використовують стандарт CSMA/CD, відстежують збої у процесі передачі, і якщо колізія була зафіксована, передача повторюється через випадковий проміжок часу. Якщо кількість репітерів на ділянці між двома комп'ютерами локальної мережі перевищить деяке значення, затримки між моментом відправлення і моментом прийому даних стануть настільки великими, що протокол просто не зможе проконтролювати правильність пересилання даних, і обмін інформацією між цими комп'ютерами стане неможливим. Звідси виникло правило, яке називають «правилом 5-4-3». Формулюється воно наступним чином: на шляху проходження сигналу в мережі Ethernet не повинно зустрічатися більше 5 сегментів і більше 4 репітерів, причому тільки до 3 з них можуть бути підключені кінцеві пристрої (рис. 3.7 а).
При цьому в цілому в локальній мережі може бути більше 4 повторювачів, правило регламентує лише кількість репітерів між двома
будь-якими точками підключення. У деяких випадках повторювачі встановлюють парами і об'єднують між собою проводом, у цьому випадку між двома комп'ютерами в мережі не може бути більше двох таких пар (рис. 3.7, б).

мережу малоперспективною на вирішення технологічних завдань реального часу. Певні проблеми іноді створює обмеження на максимальне поле даних, що дорівнює ~1500 байт.

Вибір довжини поля даних диктувався рівнем помилок (BER) для технологій, які були на момент розробки стандарту Ethernet.

Спочатку як середовище передачі використовувався товстий коаксіальний кабель (Z = 50 Ом ), а підключення до нього виконувалося через спеціальні пристрої (трансівери). Згодом мережі почали будуватися на основі тонкого коаксіального кабелю. Але й таке рішення було досить дорогим. Розробка дешевих широкосмугових скручених пар та відповідних роз'ємів відкрила перед Ethernet широкі перспективи. Ті, кому доводилося працювати з коаксіальними кабелями Ethernet, знають, що при під'єднанні або від'єднанні роз'єму можна отримати болючі удари струму. Для скручених пар це виключено. Але і ця технологія не вічна: скручені пари поступово поступаються своїми позиціями оптоволоконним кабелям.

Для різної швидкодії Ethernet використовуються різні схеми кодування, але алгоритм доступу та формат кадру залишається незмінним, що гарантує програмну сумісність.

Однак наявність сотень мільйонів інтерфейсів Ethernet є серйозною перешкодою заміни стандарту на більш досконалу.

16.1. Архітектура мереж Ethernet

Багато сучасних фізичних мережевих середовищах використовують послідовний формат передачі інформації. До цього різновиду відноситься і Ethernet. Фірма "Ксерокс" здійснила розробку протоколу Ethernet в 1973 році, а в 1979 об'єднання компаній Xerox, Intel і DEC (DIX) надало документ для стандартизації протоколу в IEEE. Пропозиція з невеликими змінами була прийнята комітетом 802.3 у 1983 році. Кадр Ethernet у сучасному стандарті має формат, показаний на рис. 16.1.

Мал. 16.1.

Поле преамбуламістить 7 байт 0хАА і служить для стабілізації та синхронізації середовища (що чергуються сигнали CD1 і CD0 при завершальному CD0), далі слідує поле SFD(Start Frame Delimiter = 0xAB), призначене виявлення початку кадру. Поле EFD(End Frame Delimiter) задає кінець кадру. Поле контрольної суми ( CRC- Cyclic Redundancy Check), так само як і преамбула, SFD та EFD, формуються та контролюються на апаратному рівні. У деяких модифікаціях протоколу поле EFD не застосовується. Користувачеві доступні поля, починаючи з адреси одержувачаі закінчуючи полем інформація, включно. Після CRC та EFD слід міжпакетна пауза ( IPG- InterPacket Gap - міжпакетний інтервал) довжиною 96 біт-тактів (9,6 мкс для 10-мегабітного Ethernet) або більше. Максимальний розмір кадру дорівнює 1518 байт (сюди не включені поля преамбули, SFD та EFD). Інтерфейс переглядає всі пакети, що йдуть по кабельному сегменту, до якого він підключений: адже визначити, чи коректний прийнятий пакет і кому він адресований, можна лише прийнявши його повністю. Коректність пакету по CRC , за довжиною і кратністю цілої кількості байт визначається після перевірки адреси призначення. Імовірність помилки передачі за наявності CRC-контролю становить ~2 -32. При обчисленні CRC використовується утворює поліном R(x) :

R(x) = x 32 + x 26 + x 23 + x 22 + x 16 + x 12 + x 11 + x 10 + x 8 + x 7 + x 5 + x 4 + x 2 + x + 1.

Алгоритм обчислення CRC зводиться до обчислення залишку від розподілу коду M(x) , що характеризує кадр , утворює поліном R(x) ( Кар'єр Sense Multiple Access with Collision Detection Access Method and Physical Layer Specification. Published by IEEE 802.3-1985. Wiley-Interscience, John & Sons, Inc.). CRC є доповненням отриманого залишку R(x) . CRC обчислюється мережевим інтерфейсом та пересилається, починаючи зі старших розрядів.

Для пересилання даних у мережі (швидкістю<1 Гбит/с) используется манчестерський код, який служить як передачі даних, так синхронізації. Кожен біт символ ділиться на дві частини, причому друга частина завжди є інверсною по відношенню до першої. У першій половині кодований сигнал представлений у логічно додатковому вигляді, а в другій – у звичайному. Таким чином, сигнал логічного 0 - CD0 характеризується в першій половині рівнем HI (+0,85), а в другій - LO (-0,85). Відповідно сигнал CD1 характеризується у першій половині біт-символу рівнем LO, а у другій – HI. Приклади форм сигналів під час манчестерського кодування представлені на рис. 16.2. Верхній рівень сигналу відповідає +0,85, нижній - -0,85.

Мал. 16.2.

Мінімальна тривалість пакету в Ethernet визначається тим, що відправник повинен дізнатися про зіткнення пакетів, якщо воно відбулося раніше, ніж закінчить передачу кадру. При цьому тривалість пакета, що передається, повинна бути більше подвоєного максимального часу поширення кадру до самої віддаленої точки мережевого сегмента.

Тут мається на увазі сегмент, утворений кабелями та повторювачами. Мінімальна тривалість кадру, що дорівнює 64 байтам, була визначена для конфігурацій 10 Мбіт/c мережі з чотирма повторювачами та 500-метровими кабельними сегментами. Найбільший внесок у затримку роблять повторювачі (якщо вони використовуються).

Якщо розмір пакета менше 64 байт, додаються байти-заповнювачі, щоб кадр у будь-якому випадку мав відповідний розмір. При прийомі контролюється довжина пакета, і якщо вона перевищує 1518 байт, пакет вважається надлишковим і не оброблятиметься. Аналогічна доля чекає на кадри коротші 64 байт. Будь-який пакет повинен мати довжину, кратну 8 біт (ціле число байт). Якщо в полі адресата містяться всі одиниці, адреса вважається широкомовною, тобто зверненою до всіх робочих станцій локального сегмента мережі.

При підключенні ЕОМ до мережі безпосередньо за допомогою перемикача обмеження мінімальної довжини кадру теоретично знімається. Але робота з більш короткими кадрами в цьому випадку стане можливою лише при заміні мережного інтерфейсу на нестандартний (причому як відправник, так і одержувач)!

Пакет Ethernet може нести від 46 до 1500 байт даних. Формат MAC-адреси одержувача або відправника показано на рис. 16.3.

Мал. 16.3.

У верхній частині малюнка вказано довжину полів адреси, у нижній – нумерацію розрядів. Субполі I/Gє прапором індивідуальної або групової адреси. I/G=0 – вказує на те, що адреса є індивідуальною адресою об'єкта мережі. I/G=1 характеризує адресу як мультикастинговий, у разі подальше розбиття адреси на субполя втрачає сенс. Мультикастингові адреси дозволяють звертатися відразу до кількох станцій у межах субмережі. Субполі U/Lє прапором універсального чи місцевого управління (визначає механізм присвоєння адреси мережному інтерфейсу). U/L=1 вказує на локальну адресацію (адреса задана не виробником і відповідальність за унікальність лежить на адміністраторі LAN або на користувачеві). U/L=I/G=0 притаманно стандартних унікальних адрес, присвоюваних інтерфейсу його виробником. Субполі OUI(Organizationally Unique Identifier) ​​дозволяє визначити виробника мережного інтерфейсу. Кожному виробнику присвоюється один або кілька OUI. Розмір субполя дозволяє ідентифікувати близько 4 мільйонів різних виробників. За коректність присвоєння унікальної адреси інтерфейсу ( OUA– Organizationally Unique Address) несе відповідальність виробник. Двох інтерфейсів того самого виробника з ідентичними номерами не повинно існувати. Розмір поля дозволяє зробити приблизно 16 мільйонів інтерфейсів. Комбінація OUI та OUA становлять UAA(Universally Administrated Address = IEEE - адреса).

Якщо у полі кадру протокол/типзаписаний код менше 1500, це поле характеризує довжину кадру. Інакше це код протоколу, пакет якого інкапсульований у полі даних кадру.

Доступ до Ethernet базується на алгоритмі CSMA/CD ( Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection ). У Ethernet будь-яка станція, підключена до мережі, може спробувати розпочати передачу пакета (кадра), якщо кабельний сегмент, якого вона підключена, вільний. Чи вільний сегмент, інтерфейс визначає за відсутністю "несучої" протягом 96 біт-тактів. Так як перший біт пакету досягає інших станцій мережі не одночасно, може статися, що спробу передачі зроблять дві або більше станцій, тим більше, що затримки в повторювачах і кабелях можуть досягати досить великих величин. Такі збіги спроб називаються зіткненнями. Зіткнення (колізія) розпізнається за наявністю в каналі сигналу, рівень якого відповідає роботі двох або більше трансіверів одночасно. При виявленні зіткнення станція перериває передачу. Відновлення спроби може бути зроблено після витримки (кратної 51,2 мксек, але не перевищує 52 мс), значення якої є псевдовипадковою величиною і обчислюється кожною станцією незалежно (T= RAND(0,2 min(N,10) ), де N – вміст лічильника спроб, а число 10 - backoffLimit).

Зазвичай після зіткнення час розбивається на ряд дискретних доменів з довжиною, що дорівнює подвоєному часу розповсюдження пакета в сегменті (RTT). Для максимально можливого RTT цей час дорівнює 512 біт тактам. Після першого зіткнення кожна станція чекає 0 або 2 тимчасових доменів, перш ніж зробити ще одну спробу. Після другого зіткнення кожна станція може почекати 0, 1, 2 або 3 тимчасового домену і т.д. Після n-го зіткнення випадкове число лежить у межах 0 – (2 n – 1). Після 10 зіткнень максимальне значення випадкової витримки перестає зростати і залишається на рівні 1023 .

Тепер розглянемо поведінку мережі за наявності станцій, готових до передачі. Якщо деяка станція здійснює передачу під час домену доступу з ймовірністю p , ймовірність того, що станція захопить канал, дорівнює:

Досягає максимуму при . при . Середня кількість доменів на один доступ дорівнює 1/А. Оскільки кожен домен має довжину RTT , то середня тривалість доступу становитиме RTT/A . Якщо середній час передачі кадру становить P секунд, то при великій кількості станцій, готових до передачі, ефективність каналускладе P/(P+RTT/A).

Таким чином, чим довше кабельний сегмент, тим більший середній час доступу.

Після витримки під час зіткнення станція збільшує на одиницю лічильник спроб і починає чергову передачу. Гранична кількість спроб за замовчуванням дорівнює 16; якщо кількість спроб вичерпано, зв'язок переривається та видається відповідне повідомлення (про недоступність). При цьому кадр, що передається, буде безповоротно втрачено.

Довгий кадр сприяє "синхронізації" початку передачі пакетів кількома станціями. Адже за час передачі з помітною ймовірністю може виникнути необхідність передачі двох і більше станцій. У момент, коли вони виявлять завершення пакета, будуть включені IPG таймери . На щастя, інформація про завершення передачі пакета сягає станцій сегмента не одночасно. Але затримки, з якими це пов'язано, також є причиною того, що факт початку передачі нового пакету однієї зі станцій не стає відомим негайно. При залученні до зіткнення кількох станцій можуть повідомити інші станції звідси, пославши сигнал " затора " ( JAM - щонайменше 32 біт ). Вміст цих 32 біт не регламентується. Така схема робить менш ймовірним повторне зіткнення. Джерелом великої кількості зіткнень (крім інформаційного навантаження) може бути помірна сумарна довжина логічного кабельного сегмента, занадто велика кількість повторювачів, обрив кабелю або несправність одного з інтерфейсів. Але самі