Formáty rámců Ethernet. Formáty rámců Ethernet Budování sítí pomocí technologie Ethernet 1000base t

V síti musí více počítačů sdílet přenosové médium. Pokud se však dva počítače pokusí přenášet data současně, dojde ke kolizi a data budou ztracena.

Všechny počítače v síti musí používat stejnou metodu přístupu, jinak síť selže. Jednotlivé počítače, jejichž metody budou dominovat, zabrání ostatním ve vysílání. Přístupové metody slouží k zabránění přístupu více počítačů ke kabelu současně, zefektivňují přenos a příjem dat po síti a zajišťují, že v jednu chvíli může vysílat pouze jeden počítač.

V Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (zkráceně CSMA/CD) všechny počítače v síti – klienti i servery – „poslouchají“ na kabelu a snaží se detekovat přenášená data (tj. provoz).

1) Počítač "rozumí", že kabel je volný (tedy není provoz).

2) Počítač může začít přenášet data.

3) Dokud není kabel uvolněn (během přenosu dat), nemůže žádný ze síťových počítačů vysílat.

Pokud se více síťových zařízení pokouší o přístup k přenosovému médiu současně, dojde ke kolizi. Počítače zaregistrují výskyt kolize, uvolní přenosovou linku na nějaký náhodně určený (v mezích definovaných standardem) časový interval, po kterém se pokus o přenos opakuje. Počítač, který jako první zachytil přenosovou linku, začne vysílat data.

CSMA/CD je známá jako kontradiktorní metoda, protože síťové počítače mezi sebou „soupeří“ (soutěží) o právo přenášet data.

Schopnost detekovat kolize je důvodem, který omezuje rozsah samotného CSMA/CD. Vzhledem ke konečné rychlosti šíření signálu v drátech na vzdálenosti přes 2500 m (1,5 míle) není mechanismus detekce kolize účinný. Pokud vzdálenost k vysílajícímu počítači překročí tento limit, některé počítače nestihnou detekovat zatížení kabelu a zahájit přenos dat, což vede ke kolizi a zničení datových paketů.

Příklady protokolů CDSMA/CD jsou Ethernet verze 2 DEC a IEEE 802.3.

Specifikace fyzického média Ethernet

Pro technologii Ethernet byly vyvinuty různé varianty fyzické vrstvy, lišící se nejen typem kabelu a elektrickými parametry impulsů, jak je tomu u technologie Ethernet 10 Mb/s, ale také způsobem kódování signálu a počet vodičů použitých v kabelu. Fyzická vrstva Ethernetu má proto složitější strukturu než klasický Ethernet.

Specifikace technologie Ethernet dnes zahrnují následující přenosová média.

• 10Základ-2- koaxiální kabel o průměru 0,25 palce, nazývaný tenký koaxiální kabel. Má vlnovou impedanci 50 ohmů. Maximální délka segmentu je 185 metrů (bez opakovačů).
• 10Základ-5- koaxiální kabel o průměru 0,5 palce, nazývaný "tlustý" koax. Má vlnovou impedanci 50 ohmů. Maximální délka segmentu bez opakovače je 500 metrů.
• 10Base-T- kabel na bázi nestíněné kroucené dvoulinky (UTP). Tvoří hvězdicovou topologii založenou na rozbočovačích. Vzdálenost mezi hubem a koncovým uzlem není větší než 100 metrů.
• 10Base-F- optický kabel. Topologie je podobná jako u standardu 10Base-T. Existuje několik variant této specifikace - FOIRL (vzdálenost do 1000 m), 10Base-FL (vzdálenost do 2000 m).

Formáty rámců Ethernet

Stejně jako ve výrobě jsou rámce v síti Ethernet vším. Slouží jako kontejner pro všechny pakety na vysoké úrovni, proto, aby si navzájem rozuměli, musí odesílatel a příjemce používat stejný typ ethernetového rámce. Standard technologie Ethernet, definovaný v dokumentu IEEE802.3, popisuje formát rámce s jednou vrstvou MAC. Rámce mohou být pouze ve čtyřech různých formátech a také se od sebe příliš neliší. Navíc existují pouze dva základní formáty rámců (v anglické terminologii se jim říká „raw formats“) – Ethernet_II a Ethernet_802.3 a liší se účelem pouze jednoho pole.

• Rám Ethernet DIX (Ethernet II). Objevil se jako výsledek práce konsorcia tří společností Digital, Intel a Xerox v roce 1980, které předložilo svou proprietární verzi standardu Ethernet komisi 802.3 jako návrh mezinárodního standardu.
• 802.3/LLC, 802.3/802.2 nebo Novell 802.2. Přijatý výborem 802.3 přijal standard, který se v některých detailech liší od Ethernetu DIX.
• Raw 802.3 rám nebo Novell 802.3- se objevil jako výsledek snah Novellu urychlit provoz jeho protokolové sady v ethernetových sítích

Každý rámec začíná preambulí (Preambulí) dlouhou 7 bajtů, vyplněnou vzorem 0b10101010 (pro synchronizaci zdroje a cíle). Za preambulí přichází bajt počátečního oddělovače rámců (Start of Frame Delimiter, SFD), obsahující sekvenci 0b10101011 a označující začátek vlastního rámce. Dále následují pole cílové adresy (DA) a zdroje (adresa zdroje, SA). Ethernet používá 48bitové adresy MAC vrstvy IEEE.

Následující pole má různý význam a různou délku v závislosti na typu rámce.

Na konci rámce je 32bitové pole kontrolního součtu (Frame Check Sequence, FCS). Kontrolní součet je vypočítán pomocí algoritmu CRC-32. Velikost ethernetového rámce od 64 do 1518 bajtů (bez preambule, ale včetně pole kontrolního součtu)

Typ rámce Ethernet DIX

Rámec Ethernet DIX, nazývaný také rámec Ethernet II, je podobný rámci Raw 802.3 v tom, že také nepoužívá hlavičky podvrstvy LLC, ale liší se tím, že místo délky definuje pole typu protokolu (pole Typ). pole. Toto pole slouží stejnému účelu jako pole DSAP a SSAP rámce LLC - k označení typu protokolu horní vrstvy, který uzavřel svůj paket do datového pole tohoto rámce. Kódování typu protokolu používá hodnoty větší, než je maximální hodnota délky datového pole 1500, takže rámce Ethernet II a 802.3 jsou snadno rozlišitelné.

Nezpracovaný typ rámu 802.3.

Za zdrojovou adresou obsahuje pole délky 16 bitů (L) určující počet bajtů následujících za polem délky (kromě pole kontrolního součtu). Paket protokolu IPX je vždy vložen do tohoto typu rámce. První dva bajty záhlaví protokolu IPX obsahují kontrolní součet datagramu IPX. Toto pole se však ve výchozím nastavení nepoužívá a má hodnotu 0xFFFF.

Typ rámu 802.3.LLC

Po poli zdrojové adresy následuje pole o délce 16 bitů udávající počet bajtů, které následují za tímto polem (kromě pole kontrolního součtu), za nímž následuje hlavička LLC. Záhlaví rámce 802.3/LLC je výsledkem sloučení polí záhlaví rámce definovaných ve standardech 802.3 a 802.2.

Standard 802.3 definuje osm polí záhlaví:

Pole preambule sestává ze sedmi bajtů synchronizačních dat. Každý bajt obsahuje stejnou sekvenci bitů - 10101010. Při kódování Manchester je tato kombinace reprezentována ve fyzickém médiu periodickým vlnovým signálem. Preambule se používá k poskytnutí času a příležitosti obvodům transceiveru, aby se dostaly do stálé synchronizace s přijímanými hodinovými signály.

Počáteční oddělovač Rámec sestává z jednoho bajtu s bitovou sadou 10101011. Výskyt tohoto vzoru je indikací, že se má rámec přijmout.

Adresa příjemce- může mít délku 2 nebo 6 bajtů (cílová MAC adresa). První bit adresy příjemce je znakem toho, zda je adresa individuální nebo skupinová: pokud je 0, pak adresa ukazuje na konkrétní stanici, pokud 1, pak je to skupinová adresa několika (možná všech) síťových stanic. Při vysílání adresování jsou všechny bity adresového pole nastaveny na 1. Běžně se používají 6bajtové adresy.

Adresa odesílatele- 2 nebo 6 bajtové pole obsahující adresu stanice odesílatele. První bit je vždy 0.

dvoubajt pole délky definuje délku datového pole v rámci.

Datové pole může obsahovat od 0 do 1500 bajtů. Pokud je však délka pole menší než 46 bajtů, použije se další pole - pole výplně, k vyplnění rámce na minimální povolenou délku.

Vyplňte pole sestává z počtu bajtů výplně, která poskytuje určitou minimální délku datového pole (46 bajtů). Tím je zajištěno, že mechanismus detekce kolize funguje správně. Pokud je délka datového pole dostatečná, pak se pole výplně v rámci nezobrazí.

Pole kontrolního součtu- 4 bajty obsahující hodnotu, která je vypočtena podle určitého algoritmu (polynom CRC-32). Po přijetí rámce provede pracovní stanice svůj vlastní výpočet kontrolního součtu pro tento rámec, porovná přijatou hodnotu s hodnotou pole kontrolního součtu, a tak určí, zda je přijatý rámec poškozen.

Rámec 802.3 je rámec podvrstvy MAC, v souladu se standardem 802.2 je rámec podvrstvy LLC vložen do jeho datového pole s odstraněnými příznaky začátku a konce rámce.

Výsledný rámec 802.3/LLC je zobrazen níže. Vzhledem k tomu, že rámec LLC má 3bajtové záhlaví, je maximální velikost datového pole snížena na 1497 bajtů.

Ethernetový rám typu SNAP

Rámec Ethernet SNAP (SNAP - SubNetwork Access Protocol) je rozšířením rámce 802.3/ LLC zavedením další hlavičky protokolu SNAP. Záhlaví se skládá z pole 3bajtového identifikátoru organizace (OUI) a pole 2bajtového typu (Type, Ethertype). Typ identifikuje protokol nejvyšší úrovně a pole OUI určuje identitu organizace, která řídí přidělování kódů typu protokolu. Kódy protokolů pro standardy IEEE 802 jsou řízeny IEEE, která má kód OUI 0x000000. Pro tento kód OUI je pole typu pro Ethernet SNAP stejné jako hodnota typu Ethernet DIX.

Souhrnná tabulka o použití různých typů rámců protokoly vyšší vrstvy.

rychlý ethernet

Rozdíl mezi technologií Fast Ethernet a Ethernetem

Všechny rozdíly mezi technologiemi Ethernet a Fast Ethernet jsou soustředěny na fyzické úrovni. Cílem technologie Fast Ethernet je dosáhnout výrazně, řádově vyšší rychlosti ve srovnání s 10 Base T Ethernetem - IEEE 802.3, a to při současném zachování stejné přístupové metody, formátu rámce a systému záznamu. MAC and LLC úrovně ve Fast Ethernet zůstaly naprosto stejné.

Organizace fyzické vrstvy technologie Fast Ethernet je složitější, protože využívá tři varianty kabelových systémů:

• Vícevidový kabel z optických vláken (dvě vlákna)
• Kroucený pár kategorie 5 (dva páry)
• Kroucený pár kategorie 3 (čtyři páry)

Koaxiální kabel se v Fast Ethernet nepoužívá. Sítě Fast Ethernet na sdíleném médiu, jako jsou sítě 10Base-T/10Base-F, mají hierarchickou stromovou strukturu postavenou na rozbočovačích. Hlavním rozdílem v konfiguraci sítí Fast Ethernet je zmenšení průměru na 200 metrů, což je vysvětleno 10násobným zkrácením doby přenosu minimální délky rámce ve srovnání s 10-MB Ethernet sítí.

Ale při použití přepínačů může protokol Fast Ethernet fungovat v plně duplexním režimu, ve kterém není limitována celková délka sítě, ale pouze jednotlivé fyzické segmenty.

Specifikace fyzického prostředí ethernet

• 100BASE-T- Obecný termín pro jeden ze tří 100 Mbps Ethernet standardů, které používají kroucenou dvojlinku jako přenosové médium. Délka segmentu až 200-250 metrů. Obsahuje 100BASE-TX, 100BASE-T4 a 100BASE-T2.
• 100BASE-TX, IEEE 802.3u- Vývoj technologie 10BASE-T, používá se hvězdicová topologie, používá se kroucená dvoulinka kategorie 5, která ve skutečnosti využívá 2 páry vodičů, maximální rychlost přenosu dat je 100 Mbps.
• 100BASE-T4- 100 Mbit/s Ethernet přes kabel kategorie 3. Všechny 4 páry jsou použité. Nyní se prakticky nepoužívá. Přenos dat probíhá v poloduplexním režimu.
• 100BASE-T2- Nepoužívá. 100 Mbps Ethernet přes kabel kategorie 3. Použité pouze 2 páry. Je podporován plně duplexní přenosový režim, kdy se signály šíří v opačných směrech na každém páru. Přenosová rychlost v jednom směru - 50 Mbps.
• 100BASE-FX- 100Mbps Ethernet přes optický kabel. Maximální délka segmentu je 400 metrů v polovičním duplexním režimu (pro zaručenou detekci kolize) nebo 2 kilometry v plně duplexním režimu na vícevidovém optickém vláknu a až 32 kilometrů v jediném režimu.

gigabitový ethernet

• 1000BASE-T, IEEE 802.3ab- Standardní Ethernet 1 Gbps. Používá se kroucená dvoulinka kategorie 5e nebo kategorie 6. Všechny 4 páry se podílejí na přenosu dat. Rychlost přenosu dat - 250 Mbit / s na jeden pár.
• 1000BASE-TX, - Standard Ethernet 1 Gb/s používající pouze kroucenou dvojlinku kategorie 6. nepoužívá.
• 1000Base-X- obecný termín pro technologii gigabitového Ethernetu využívající kabel z optických vláken jako médium pro přenos dat, zahrnuje 1000BASE-SX, 1000BASE-LX a 1000BASE-CX.
• 1000BASE-SX, IEEE 802.3z- Technologie Ethernet 1 Gbps, využívá multimódové vlákno, vzdálenost přenosu signálu bez opakovače je až 550 metrů.
• 1000BASE-LX, IEEE 802.3z- Technologie Ethernet 1 Gbps, využívá multimódové vlákno, vzdálenost přenosu signálu bez opakovače je až 550 metrů. Optimalizováno pro dlouhé vzdálenosti pomocí jednovidového vlákna (až 10 kilometrů).
• 1000BASE-CX- Technologie Gigabit Ethernet pro krátké vzdálenosti (do 25 metrů), pomocí speciálního měděného kabelu (Shielded Twisted Pair (STP)) s charakteristickou impedancí 150 ohmů. Nahrazeno 1000BASE-T a nyní nepoužívá.
• 1000BASE-LH (Dlouhá vzdálenost)- Technologie 1Gbps Ethernet, pomocí jednovidového optického kabelu, vzdálenost přenosu signálu bez opakovače až 100 kilometrů.

Problémy s gigabitovým Ethernetem

• Zajištění přijatelného průměru sítě pro provoz ve sdíleném prostředí. Kvůli omezení délky kabelu CSMA/CD by sdílená verze Gigabit Ethernet umožňovala délku segmentu pouze 25 metrů. Bylo nutné tento problém vyřešit.
• Dosažení přenosové rychlosti 1000 Mbps na optickém kabelu. Technologie Fibre Channel, jejíž fyzická vrstva byla vzata jako základ pro optickou verzi gigabitového Ethernetu, poskytuje rychlost přenosu dat až 800 Mbps.
• Použijte jako kroucenou dvoulinku.

K vyřešení těchto problémů bylo nutné provést změny nejen ve fyzické vrstvě, ale také ve vrstvě MAC.

Prostředky zajišťující průměr sítě 200 m na sdíleném médiu

Pro rozšíření maximálního průměru gigabitové ethernetové sítě v poloduplexním režimu až na 200 m přijali vývojáři technologie zcela přirozená opatření založená na známém poměru přenosové doby minimální délky rámce a dvojnásobné doby oběhu.

Minimální velikost rámce byla zvýšena (bez preambule) z 64 na 512 bajtů nebo 4096 bt. V souladu s tím by nyní mohla být také zvýšena doba zpáteční cesty na 4095 bt, takže průměr sítě kolem 200 m je přijatelný s použitím jediného opakovače. Při dvojnásobném zpoždění signálu 10 bt/m přispívá 100 m optických kabelů během dvojnásobného obratu 1 000 bt, a pokud opakovač a síťové adaptéry přispívají stejným zpožděním jako u technologií Fast Ethernet (údaje pro které byly uvedeny v předchozím sekce) , pak zpoždění opakovače 1000 bt a dvojice NIC 1000 bt sečte čas zpáteční cesty 4000 bt, což splňuje podmínku detekce kolize. Pro zvětšení délky rámce na hodnotu požadovanou v nové technologii musí síťový adaptér doplnit datové pole na délku 448 bajtů o tzv. rozšíření (extention), což je pole vyplněné zakázanými 8V / 10V kódovými znaky. které nelze zaměnit s datovými kódy.

Aby se snížila režie při použití příliš dlouhých rámců pro přenos krátkých příjmů, vývojáři standardu umožnili koncovým uzlům vysílat několik snímků za sebou, aniž by médium přenášelo na jiné stanice. Tento režim se nazývá Burst Mode – exkluzivní režim sériového snímání. Stanice může vysílat několik rámců za sebou s celkovou délkou maximálně 65536 bitů nebo 8192 bajtů. Pokud stanice potřebuje vysílat několik malých rámců, pak je nemusí vyplňovat až do velikosti 512 bajtů, ale vysílat v řadě, dokud není vyčerpán limit 8192 bajtů (tento limit zahrnuje všechny bajty rámce, včetně preambule, záhlaví, data a kontrolní součet). Limit 8192 bajtů se nazývá BurstLength. Pokud stanice začala vysílat rámec a uprostřed rámce bylo dosaženo limitu BurstLength, pak je možné rámec vysílat až do konce.

Navýšení „kombinovaného“ rámce na 8192 bajtů poněkud zpožďuje přístup do sdíleného prostředí ostatních stanic, ale při rychlosti 1000 Mbps není toto zpoždění tak výrazné

Literatura

1. V.G.Olifer, N.A.Olifer Počítačové sítě

Ethernet standard IEEE 802.3

Je to dnes nejrozšířenější standard síťové technologie.

Zvláštnosti:

• pracuje s koaxiálním kabelem, kroucenou dvojlinkou, optickými kabely;
• topologie - sběrnice, hvězda;
• přístupová metoda - CSMA/CD.

Architektura síťové technologie Ethernet ve skutečnosti kombinuje celou sadu standardů, které mají společné rysy i rozdíly.

Technologie Ethernet byla vyvinuta spolu s mnoha prvními projekty společnosti Xerox PARC Corporation. Obecně se uznává, že Ethernet byl vynalezen 22. května 1973, kdy Robert Metcalfe napsal zprávu vedoucímu PARC o potenciálu technologie Ethernet. Ale Metcalfe získal zákonné právo na technologii o několik let později. V roce 1976 vydal se svým asistentem Davidem Boggsem brožuru s názvem Ethernet: Distributed Packet Switching For Local Computer Networks. Metcalfe opustil Xerox v roce 1979 a založil 3Com na podporu počítačů a lokálních sítí. Podařilo se mu přesvědčit DEC, Intel a Xerox, aby spolupracovaly a vyvinuly standard Ethernet (DIX). Tato norma byla poprvé publikována 30. září 1980.

Další vývoj technologie EtherNet:

• 1982-1993 vývoj 10Mbps EtherNet;
• 1995-1998 vývoj Fast EtherNet;
• 1998-2002 vývoj GigaBit EtherNet;
• 2003-2007 vývoj 10GigaBit EtherNet;
• 2007-2010 vývoj 40 a 100GigaBit EtherNet;
• 2010 do současnosti vývoj Terabit Ethernet.

Na úrovni MAC, která zajišťuje přístup k médiu a přenos rámců, se k identifikaci síťových rozhraní síťových uzlů používají jedinečné 6bajtové adresy regulované standardem, nazývané MAC adresy. MAC adresa se obvykle zapisuje jako šest párů hexadecimálních číslic oddělených pomlčkami nebo dvojtečkami, například 00-29-5E-3C-5B-88. Každý síťový adaptér má MAC adresu.

Struktura ethernetové MAC adresy:

• První bit cílové MAC adresy se nazývá bit I/G (individuální/skupinový nebo broadcast). Ve zdrojové adrese se tomu říká indikátor zdrojové cesty;
• druhý bit určuje, jak je adresa přiřazena;
• horní tři bajty adresy se nazývají Burned In Address (BIA) nebo Organizationally UniqueIdentifier (OUI);
• výrobce odpovídá za jedinečnost spodních tří bajtů adresy.

Některé síťové programy, zejména wireshark, umí místo kódu výrobce rovnou zobrazit jméno výrobce dané síťové karty.

Formát rámce technologie EtherNet

V sítích Ethernet existují 4 typy rámců (rámců):

• rám 802.3/LLC (nebo rám Novell 802.2),
• Nezpracovaný snímek 802.3 (nebo snímek Novell 802.3),
• Ethernet DIX rámec (nebo Ethernet II rámec),
• Ethernetový SNAP rámec.

V praxi se v zařízeních EtherNet používá pouze jeden formát rámce, a to rámec EtherNet DIX, který je někdy označován jako rámec podle čísla nejnovějšího standardu DIX.

• První dvě pole záhlaví jsou vyhrazena pro adresy:
• DA (Destination Address) – MAC adresa cílového hostitele;
• SA (Source Address) – MAC adresa zdrojového uzlu. Pro doručení rámce stačí jedna adresa – cílová adresa, zdrojová adresa se umístí do rámce, aby uzel, který rámec přijal, věděl, od koho rámec přišel a kdo na něj potřebuje odpovědět.
• Pole T (Type) obsahuje konvenční kód protokolu horní vrstvy, jehož data jsou v datovém poli rámce, například hexadecimální hodnota 08-00 odpovídá protokolu IP. Toto pole je vyžadováno pro podporu funkcí rozhraní multiplexování rámců a demultiplexování při interakci s protokoly horní vrstvy.
• Datové pole. Pokud je délka uživatelských dat menší než 46 bajtů, je toto pole doplněno na minimální velikost pomocí bajtů.
• Pole Frame Check Sequence (FCS) se skládá ze 4 bajtů kontrolního součtu. Tato hodnota je vypočítána pomocí algoritmu CRC-32.

Rámec EtherNet DIX (II) nereflektuje oddělení spojové vrstvy EtherNet na vrstvu MAC a vrstvu LLC: jeho pole podporují funkce obou vrstev, např. funkce rozhraní pole T patří k funkcím vrstva LLC, zatímco všechna ostatní pole podporují funkce vrstvy MAC.

Zvažte formát rámce EtherNet II na příkladu zachyceného paketu pomocí síťového analyzátoru Wireshark

Vezměte prosím na vědomí, že protože MAC adresa se skládá z kódu výrobce a čísla rozhraní, síťový analyzátor okamžitě převede kód výrobce na jméno výrobce.

V technologii EtherNet tedy MAC adresy fungují jako cílové a cílové adresy.

Standardy technologie Ethernet

Fyzické specifikace pro technologii Ethernet zahrnují následující přenosová média.

• l0Base-5 - koaxiální kabel o průměru 0,5 palce (1 dm = 2,54 cm), nazývaný "tlustý" koaxiální kabel, s charakteristickou impedancí 50 ohmů.
• l0Base-2 je 0,25palcový koaxiální kabel, nazývaný "tenký" koaxiální kabel, s charakteristickou impedancí 50 ohmů.
• l0Base-T - kabel na bázi nestíněné kroucené dvoulinky (Unshielded Twisted Pair, UTP), kategorie 3,4,5.
• l0Base-F - optický kabel.

Číslo 10 označuje nominální bitovou rychlost standardu, tedy 10 Mbps, a slovo "Base" je způsob přenosu na jedné základní frekvenci. Poslední znak označuje typ kabelu.

Kabel je použit jako monokanál pro všechny stanice, maximální délka segmentu je 500m. Stanice je připojena ke kabelu přes transceiver - transceiver. Transceiver je připojen k síťovému adaptéru konektoru DB-15 kabelem rozhraní AUI. Na každém konci jsou vyžadovány terminátory, které absorbují signály šířící se kabelem.

Pravidla "5-4-3" pro koaxiální sítě:

Norma pro sítě na koaxiálním kabelu umožňuje použití sítě ne více než 4 opakovačů, a tedy ne více než 5 kabelových segmentů. S maximální délkou segmentu kabelu 500 m to dává maximální délku sítě 500 * 5 = 2 500 m. Lze načíst pouze 3 z 5 segmentů, tedy ty, ke kterým jsou připojeny koncové uzly. Mezi naloženými segmenty musí být nezatížené segmenty.

l0Základ-2

Kabel se používá jako mono kanál pro všechny stanice, maximální délka segmentu je 185 m. Pro připojení kabelu k síťové kartě potřebujete T-konektor a kabel musí mít BNC konektor.

Používá se také pravidlo 5-4-3.

l0Base-T

Tvoří hvězdicovou topologii založenou na hubu, hub funguje jako opakovač a tvoří jeden monokanál, maximální délka segmentu je 100m. Koncové uzly jsou spojeny pomocí dvou kroucených párů. Jeden pár pro přenos dat z uzlu do uzlu je Tx a druhý pro přenos dat z uzlu do uzlu je Rx.
Pravidla „4 rozbočovačů“ pro sítě založené na kroucené dvoulinkě:
Standard pro sítě kroucené dvoulinky definuje maximální počet hubů mezi libovolnými dvěma stanicemi sítě, konkrétně 4. Toto pravidlo se nazývá „pravidlo 4 hubů“. Je zřejmé, že pokud by mezi žádnými dvěma uzly sítě neměly být více než 4 opakovače, pak maximální průměr sítě kroucené dvoulinky je 5 x 100 = 500 m (maximální délka segmentu je 100 m).

10Base-F

Funkčně se síť Ethernet na optickém kabelu skládá ze stejných prvků jako síť 10Base-T.

Standard FOIRL (Fiber Optic Inter-Repeater Link) byl prvním výborovým standardem 802.3 pro použití optických sítí přes Ethernet. Maximální délka segmentu 1000 m, maximální počet hubů 4, s celkovou délkou sítě ne více než 2500 m.

Standard 10Base-FL je mírným vylepšením standardu FOIRL. Maximální délka segmentu je 2000 m. Maximální počet hubů je 4 a maximální délka sítě je 2500 m.

Standard 10Base-FB je určen pouze pro připojení opakovačů. Koncové uzly nemohou použít tento standard k připojení k portům rozbočovače. Max počet hubů 5, max. délka jednoho segmentu 2000m a max. délka sítě 2740m.

Stůl. Parametry specifikace fyzické vrstvy pro standard Ethernet

Při zvažování pravidla „5-4-3“ nebo „4-hubs“ v případě, že se na cestě šíření kabely objeví imaginární signál „spínačového“ zařízení, začíná výpočet topologických omezení od nuly.

Šířka pásma Ethernet

Propustnost se měří jako počet rámců nebo počet bytů dat přenesených přes síť za jednotku času. Pokud v síti nedochází ke kolizím, je maximální snímková frekvence minimální velikosti (64 bajtů) 14881 snímků za sekundu. Zároveň je užitečná šířka pásma pro rámce Ethernet II 5,48 Mbps.

Maximální snímková frekvence maximální velikosti (1500 bajtů) je 813 snímků za sekundu. Užitečná šířka pásma pak bude 9,76 Mbps.

TECHNOLOGIE ETHERNET

Ethernet je dnes nejrozšířenějším standardem lokální sítě.

Když se řekne Ethernet, většinou se myslí jakákoliv z variant této technologie. V užším slova smyslu je Ethernet síťový standard založený na experimentální síti Ethernet, kterou Xerox vyvinul a implementoval v roce 1975. Přístupová metoda byla testována ještě dříve: v druhé polovině 60. let využívala rádiová síť Havajské univerzity různé možnosti náhodného přístupu do běžného rádiového prostředí, souhrnně nazývaného Aloha. V roce 1980 DEC, Intel a Xerox společně vyvinuly a zveřejnily standard Ethernet Revision II pro koaxiální kabelovou síť, který se stal nejnovější verzí proprietárního standardu Ethernet. Proto se proprietární verze standardu Ethernet nazývá standard Ethernet DIX nebo Ethernet P.

Na základě standardu Ethernet DIX byl vyvinut standard IEEE 802.3, který je do značné míry stejný jako jeho předchůdce, ale stále existují určité rozdíly. Zatímco standard IEEE 802.3 rozlišuje vrstvy MAC a LLC, původní Ethernet spojoval obě tyto vrstvy do jediné spojové vrstvy. Ethernet DIX definuje protokol Ethernet Configuration Test Protocol, který není přítomen v IEEE 802.3. Formát rámce je poněkud odlišný, ačkoli minimální a maximální velikosti rámců v těchto normách jsou stejné. Často, aby bylo možné rozlišit mezi Ethernetem definovaným standardem IEEE a proprietárním Ethernet DIX, je první zmíněný jako technologie 802.3 a proprietární název Ethernet je ponechán bez dalších označení.

V závislosti na typu fyzického média má standard IEEE 802.3 různé modifikace - 10Base-5, 10Base-2, 10Base-T, 10Base-FL, 10Base-FB.

V roce 1995 byl přijat standard Fast Ethernet, který v mnoha ohledech není samostatným standardem, o čemž svědčí fakt, že jeho popis je pouze doplňkovou částí k hlavnímu standardu 802.3 – části 802.3u. Podobně je standard Gigabit Ethernet z roku 1998 popsán v části 802.3z hlavního dokumentu.

Manchester kód se používá k přenosu binárních informací po kabelu pro všechny varianty fyzické vrstvy technologie Ethernet, které poskytují propustnost 10 Mbps.

Všechny druhy standardů Ethernet (včetně Fast Ethernet a Gigabit Ethernet) používají stejnou metodu oddělení médií, metodu CSMA/CD.

Adresování v sítích Ethernet

K identifikaci příjemce informací v ethernetových technologiích se používají 6bajtové MAC adresy.

Formát MAC adresy umožňuje používat specifické režimy multicastového adresování v ethernetové síti a zároveň vylučuje možnost výskytu dvou stanic ve stejné lokální síti, které by měly stejnou adresu.

Fyzická adresa sítě Ethernet se skládá ze dvou částí:

• Identifikátor výrobce zařízení (kódy dodavatele)
• ID jednotlivého zařízení

Distribucí povolených kódování tohoto oboru se na žádost výrobců síťových zařízení zabývá speciální organizace v rámci IEEE. Pro zápis MAC adresy lze použít různé formuláře. Nejčastěji používaná forma je hexadecimální, ve které jsou dvojice bajtů navzájem odděleny znaky „-“:

E0-14-00-00-00

Sítě Ethernet a IEEE 802.3 používají tři základní režimy generování cílové adresy:

• Unicast - individuální adresa;
• Multicast - vícesměrová adresa;
• Broadcast – adresa vysílání.

První režim adresování (Unicast) se používá, když zdrojová stanice adresuje přenášený paket pouze jednomu příjemci dat.

Znakem použití režimu adresování Multicast je přítomnost 1 v nejméně významném bitu vysokého bajtu identifikátoru výrobce zařízení.

C-CC-CC-CC

Rámec, jehož obsah v poli DA patří do typu Multicast, přijmou a zpracují všechny stanice, které mají odpovídající hodnotu v poli Vendor Code - v tomto případě se jedná o síťová zařízení Cisco. Daná adresa Multicast je používána síťovými zařízeními této společnosti pro interakci v souladu s pravidly Cisco Discovery Protocol (CDP).

Stanice Ethernet a IEEE 802.3 mohou také používat režim adresování vysílání. Adresa cílové stanice typu Broadcast je zakódována speciální hodnotou:

FF-FF-FF-FF-FF-FF

Při použití této adresy bude přenášený paket přijímán všemi stanicemi, které jsou v této síti.

Přístupová metoda CSMA/CD

Sítě Ethernet používají metodu přístupu k médiím zvanou carrier-sense-multiply-access s detekcí kolize (CSMA/CD).

Protokol CSMA/CD určuje povahu interakce pracovních stanic v síti s jediným médiem pro přenos dat společným pro všechna zařízení. Všechny stanice mají stejné podmínky pro přenos dat. Neexistuje žádná konkrétní sekvence, ve které mohou stanice přistupovat k médiu za účelem vysílání. V tomto smyslu je přístup k prostředí náhodný. Implementace algoritmů náhodného přístupu se zdá být mnohem jednodušším úkolem než implementace algoritmů deterministického přístupu. Protože v druhém případě je vyžadován buď speciální protokol, který řídí provoz všech síťových zařízení (například protokol oběhu tokenů vlastní sítím Token Ring a FDDI), nebo speciální vyhrazené zařízení - hlavní rozbočovač, který v určitá sekvence by poskytla všem ostatním stanicím schopnost vysílat (sítě Arcnet, 100VG AnyLAN).

Síť s náhodným přístupem má však jednu, možná hlavní nevýhodu - je to ne zcela stabilní provoz sítě při velkém zatížení, kdy může uplynout dostatečně dlouhá doba, než může daná stanice vysílat data. To je způsobeno kolizemi, které vznikají mezi stanicemi, které zahájily vysílání ve stejnou nebo téměř ve stejnou dobu. Při kolizi se přenášená data nedostanou k příjemcům a vysílací stanice musí znovu vysílat - kódovací metody používané v Ethernetu neumožňují odlišit signály jednotlivých stanic od obecného signálu. (Z Všimněte si, že tato skutečnost se odráží v komponentě „Base(band)“ přítomné v názvech všech fyzických protokolů technologie Ethernet (například 10Base-2, 10Base-T atd.). Síť v základním pásmu znamená síť v základním pásmu, ve které jsou zprávy zasílány v digitální podobě přes jediný kanál, bez frekvenčního dělení.)

Kolize je normální situace v sítích Ethernet. Aby ke kolizi došlo, není nutné, aby více stanic začalo vysílat přesně ve stejnou dobu, taková situace je nepravděpodobná. Je mnohem pravděpodobnější, že ke kolizi dojde kvůli skutečnosti, že jeden uzel začne vysílat dříve než druhý, ale signály prvního jednoduše nestihnou dosáhnout druhého uzlu v době, kdy se druhý uzel rozhodne začít vysílat svůj rámec. . To znamená, že kolize jsou důsledkem distribuované povahy sítě.

Množina všech stanic v síti, jejichž současný přenos libovolné dvojice vede ke kolizi, se nazývá kolizní doména (collision domain) nebo kolizní doména.

Kolize mohou způsobit nepředvídatelná zpoždění v šíření rámců po síti, zvláště když je síť silně přetížená (mnoho stanic se snaží současně vysílat v rámci kolizní domény, > 20-25) a s velkým průměrem kolizní domény (> 2 km) . Proto je při budování sítí žádoucí vyhnout se tak extrémním způsobům provozu.

Problém sestavení protokolu schopného co nejoptimálnějším způsobem řešit kolize a optimalizovat provoz sítě při vysoké zátěži byl jedním z klíčových ve fázi tvorby standardu. Zpočátku byly jako kandidáty pro implementaci algoritmu náhodného přístupu do prostředí zvažovány tři hlavní přístupy: nekonstantní, 1-konstantní a p-konstantní (obr. 11.2).

Obrázek 11.2. Algoritmy vícenásobného náhodného přístupu (CSMA) a časové zpoždění v konfliktní situaci (ustupování kolize)

Neperzistentní (neperzistentní) algoritmus. V tomto algoritmu se stanice, která si přeje vysílat, řídí následujícími pravidly.

1. Poslouchá médium, a pokud je médium volné (tj. pokud neexistuje žádný jiný přenos nebo žádný kolizní signál), vysílá, jinak - médium je zaneprázdněno - přejděte ke kroku 2;

2. Pokud je prostředí zaneprázdněné, počkejte náhodně (podle určité křivky rozdělení pravděpodobnosti) čas a vraťte se ke kroku 1.

Použití náhodné hodnoty čekání, když je prostředí zaneprázdněné, snižuje možnost kolizí. Ve skutečnosti předpokládejme jinak, že dvě stanice budou vysílat téměř současně, zatímco třetí již vysílá. Pokud první dva neměly před začátkem přenosu náhodnou čekací dobu (v případě, že by se ukázalo, že médium je obsazené), ale pouze poslouchali médium a čekali, až se uvolní, pak po ukončení přenosu třetí stanice třetí stanicí, první dvě by začaly vysílat současně, což by nevyhnutelně vedlo ke kolizím. Náhodné čekání tedy eliminuje možnost takových kolizí. Nevýhoda této metody se však projevuje v neefektivním využití šířky pásma kanálu. Protože se může stát, že v době, kdy se médium uvolní, bude stanice, která si přeje vysílat, stále ještě nějakou náhodnou dobu čekat, než se rozhodne médium poslouchat, protože médium již poslouchala před tím, což se ukázalo být zaneprázdněný. V důsledku toho bude kanál nějakou dobu nečinný, i když na vysílání čeká pouze jedna stanice.

1-perzistentní algoritmus. Ke zkrácení doby nečinnosti prostředí lze použít 1-konstantní algoritmus. V tomto algoritmu se stanice, která si přeje vysílat, řídí následujícími pravidly.

1. Poslouchá médium, a pokud médium není zaneprázdněno, vysílá, jinak přejde ke kroku 2;

2. Pokud je médium zaneprázdněné, pokračujte v poslechu média, dokud se médium neuvolní, a jakmile se médium uvolní, okamžitě zahájí přenos.

Srovnáním neperzistentního a 1-perzistentního algoritmu lze říci, že v 1-perzistentním algoritmu se stanice, která si přeje vysílat, chová více „sobecky“. Pokud tedy dvě nebo více stanic čekají na vysílání (čekejte, až se médium uvolní), lze říci, že kolize je zaručena. Po srážce začnou stanice přemýšlet, co dál.

P-perzistentní (p-perzistentní) algoritmus. Pravidla tohoto algoritmu jsou následující:

1. Pokud je prostředí volné, stanice s pravděpodobností p zahájí přenos okamžitě nebo s pravděpodobností (1- p ) čeká na pevný časový interval T. Interval T se obvykle rovná maximální době šíření signálu od konce ke konci;

2. Pokud je médium zaneprázdněné, stanice pokračuje v poslechu, dokud se médium neuvolní, poté postoupí ke kroku 1;

3. Pokud je přenos zpožděn o jeden interval T, stanice se vrátí ke kroku 1.

A zde vyvstává otázka výběru nejefektivnější hodnoty parametru p . Hlavním problémem je, jak se vyhnout nestabilitě při vysoké zátěži. Zvažte situaci, ve které n stanice mají v úmyslu vysílat rámce, zatímco přenos již probíhá. Na konci přenosu se očekávaný počet stanic, které se pokusí vysílat, bude rovnat součinu počtu stanic, které si přejí vysílat, a pravděpodobnosti přenosu, tzn. np . Li np > 1, pak se v průměru několik stanic pokusí vysílat najednou, což způsobí kolizi. Navíc, jakmile je detekována kolize, všechny stanice se vrátí ke kroku 1, což způsobí druhou kolizi. V nejhorším případě mohou být přidány nové stanice ochotné zradit n , což situaci dále zhorší a nakonec povede k nepřetržité kolizi a nulové propustnosti. Aby se předešlo takové katastrofě, np musí být menší než jedna. Pokud se v síti vyskytnou podmínky, kdy si mnoho stanic přeje vysílat současně, pak je nutné snížit p . Na druhou stranu, kdy p příliš malý, i jedna stanice může v průměru čekat (1- p )/p intervalech T před vysíláním. Takže pokud p=0,1, pak průměrná doba odstávky před převodem bude 9T.

CSMA/CD Collision Resolution Multiple Random Media Access Protocol ztělesnil myšlenky výše uvedených algoritmů a přidal důležitý prvek - rozlišení kolize. Vzhledem k tomu, že kolize zničí všechny rámce vysílané v době jejího vytvoření, nemá smysl, aby stanice pokračovaly v dalším vysílání svých rámců, jakmile (stanice) zaznamenají kolize. Jinak by při přenosu dlouhých snímků docházelo k výrazné ztrátě času. Stanice proto, aby včas odhalila kolize, poslouchá okolí po celou dobu vlastního vysílání. Zde jsou základní pravidla CSMA / CD algoritmu pro vysílací stanici (obr. 11.3):

1. Stanice, která se chystá vysílat, poslouchá médium. A vysílá, pokud je médium volné. V opačném případě (tj. pokud je médium zaneprázdněno) přejde na krok 2. Při vysílání více rámců za sebou stanice udržuje určitou pauzu mezi odesíláním rámců - mezirámcový interval, a po každé takové pauze před odesláním dalšího rámce , stanice znovu poslouchá médium (návrat na začátek kroku 1);

2. Pokud je médium zaneprázdněné, stanice pokračuje v poslechu média, dokud se médium neuvolní, a poté okamžitě zahájí vysílání;

3. Každá vysílací stanice poslouchá okolí, a pokud je detekována kolize, nepřestane okamžitě vysílat, ale nejprve vyšle krátký speciální kolizní signál - zásekový signál, informující ostatní stanice o kolizi, a zastaví vysílání;

4. Po vyslání rušivého signálu se stanice ztiší a čeká nějakou libovolnou dobu v souladu s pravidlem binárního exponenciálního zpoždění a poté se vrátí ke kroku 1.

Aby mohla stanice vysílat rámec, musí zajistit, aby sdílené médium bylo volné. Toho je dosaženo poslechem základní harmonické signálu, která se také nazývá nosná frekvence (carrier-sense, CS). Znakem neobsazeného prostředí je absence nosné frekvence na něm, která je u metody kódování Manchester 5-10 MHz v závislosti na právě vysílané posloupnosti jedniček a nul.

Po ukončení přenosu rámce jsou všechny síťové uzly povinny udržovat technologickou pauzu (Inter Packet Gap) 9,6 μs (96 bt). Tato pauza, nazývaná také mezirámcový interval, je potřebná k uvedení síťových adaptérů do jejich původního stavu a také k zamezení výhradního zachycení média jednou stanicí.

Obrázek 11.3. Blokové schéma algoritmu CSMA / CD (vrstva MAC): při přenosu rámce stanicí

Jam-signal (jamming - doslova rušení). Přenos rušení zaručuje, že nedojde ke ztrátě rámce, protože všechny uzly, které vysílaly rámce před kolizí, poté, co přijaly signál rušení, přeruší svá vysílání a utichnou v očekávání nového pokusu o vysílání rámců. Signál rušení musí být dostatečně dlouhý, aby dosáhl nejvzdálenějších stanic kolizní domény, přičemž je třeba vzít v úvahu dodatečné zpoždění SF (bezpečnostní rezerva) na možných opakovačích. Obsah signálu rušení není kritický, kromě toho, že se nesmí shodovat s hodnotou pole CRC částečně přeneseného rámce (802.3) a prvních 62 bitů musí představovat střídání „1“ a „0“ se začátkem. kousek '1'.

Obrázek 11.4. CSMA/CD metoda náhodného přístupu

Obrázek 11.5 znázorňuje proces detekce kolize aplikovaný na topologii sběrnice (založené na tenkém nebo tlustém koaxiálním kabelu (standardy 10Base5 a 10Base2 v tomto pořadí).

V té době uzel A(DTE A) zahájí přenos, přirozeně poslouchá vlastní vysílaný signál. V okamžiku, kdy rámec téměř dosáhl uzlu B(DTE B), tento uzel, který neví, že přenos již probíhá, začne sám vysílat. V časovém bodě, uzel B detekuje kolizi (zvyšuje se konstantní složka elektrického signálu v naslouchacím vedení). Po tom uzlu B vyšle signál rušení a zastaví vysílání. V časovém okamžiku signál kolize dosáhne uzlu A, pak A také vyšle signál rušení a zastaví vysílání.

Obrázek 11.5. Detekce kolize pomocí schématu CSMA/CD

Podle standardu IEEE 802.3 nemůže uzel posílat velmi krátké rámce, jinými slovy, provádět velmi krátké přenosy. I když není datové pole vyplněno až do konce, objeví se speciální doplňkové pole prodlužující rámec na minimální délku 64 bajtů, bez preambule. Čas kanálu ST (slot time) je minimální doba, během které je uzel požadován k vysílání a obsazení kanálu. Tato doba odpovídá přenosu rámce minimální povolené velikosti akceptované normou. Čas kanálu souvisí s maximální povolenou vzdáleností mezi uzly sítě - průměrem kolizní domény. Předpokládejme, že nejhorším scénářem ve výše uvedeném příkladu jsou stanice A A B odděleny od sebe maximální vzdáleností. Čas, šíření signálu z A před B označeno . Uzel A začne vysílat v čase nula. Uzel B začne vysílat v okamžiku a zjistí kolizi v intervalu po začátku svého vysílání. Uzel A včas detekuje kolizi. K vysílanému snímku A, se neztratil, je nutné, aby uzel A do tohoto okamžiku nepřestal vysílat, od té doby, po zjištění kolize, uzel A bude vědět, že jeho rámec nedosáhl, a pokusí se jej přenést znovu. V opačném případě bude rámeček ztracen. Maximální doba, po které od okamžiku zahájení přenosu uzel A může stále detekovat kolize se rovná - tento čas se nazývá Dvojitá doba obratu PDV (hodnota zpoždění cesty, PDV). Obecněji, PDV definuje celkové zpoždění spojené jak se zpožděním v důsledku konečné délky segmentů, tak se zpožděním, ke kterému dochází při zpracování rámců na fyzické vrstvě mezilehlých zesilovačů a koncových uzlů sítě. Pro další zvážení je také vhodné použít jinou jednotku měření času: trochu času bt (bitový čas). Doba 1 bt odpovídá době potřebné k přenosu jednoho bitu, tzn. 0,1 µs při 10 Mbps.

Přesné rozpoznání kolizí všemi stanicemi sítě je předpokladem správného fungování sítě Ethernet. Pokud některá vysílající stanice nerozpozná kolizi a rozhodne, že datový rámec přenesla správně, bude tento datový rámec ztracen. V důsledku překrývání signálů během kolize bude rámcová informace zkreslena a bude odmítnuta přijímací stanicí (pravděpodobně kvůli neshodě kontrolního součtu). S největší pravděpodobností budou poškozené informace znovu přeneseny pomocí některého protokolu vyšší vrstvy, jako je transportní nebo aplikační protokol založený na připojení. K opětovnému přenosu zprávy protokoly horní vrstvy však dojde po mnohem delším časovém intervalu (někdy i po několika sekundách) ve srovnání s mikrosekundovými intervaly, na kterých pracuje protokol Ethernet. Pokud tedy kolize nejsou spolehlivě rozpoznány uzly sítě Ethernet, povede to ke znatelnému snížení užitečné propustnosti této sítě.

Pro spolehlivou detekci kolize musí být splněn následující vztah:

Tmin >=PVD,

kde Tmin je čas přenosu rámce minimální délky a PDV je čas, během kterého má kolizní signál čas na šíření do nejvzdálenějšího síťového uzlu. Protože v nejhorším případě musí signál mezi nejvzdálenějšími stanicemi sítě projít dvakrát (jedním směrem prochází nezkreslený signál a na zpáteční cestě se šíří signál již zkreslený srážkou), proto je tento čas volal dvojitý čas otočení (Path Delay Value, PDV).

Když je tato podmínka splněna, musí mít vysílací stanice čas na detekci kolize způsobené jejím přenášeným rámcem, a to ještě předtím, než dokončí přenos tohoto rámce.

Je zřejmé, že splnění této podmínky závisí na jedné straně na délce minimálního rámce a šířce pásma sítě a na druhé straně na délce kabelového systému sítě a rychlosti šíření signálu v kabelu. (u různých typů kabelu je tato rychlost mírně odlišná).

Všechny parametry ethernetového protokolu jsou voleny tak, aby při běžném provozu síťových uzlů byly kolize vždy jasně rozpoznány. Při volbě parametrů byl samozřejmě zohledněn i výše uvedený poměr, který souvisí s minimální délkou rámce a maximální vzdáleností mezi stanicemi v segmentu sítě.

Ve standardu Ethernet je akceptováno, že minimální délka datového pole rámce je 46 bajtů (což spolu s poli služeb dává minimální délku rámce 64 bajtů a spolu s preambulí - 72 bajtů nebo 576 bitů) .

Při přenosu velkých rámců, například 1500 bajtů, je kolize, pokud k ní vůbec dojde, detekována téměř na začátku přenosu, nejpozději do prvních 64 přenesených bajtů (pokud ke kolizi v tuto chvíli nedošlo, pak později k tomu nedojde, protože všechny stanice poslouchají na lince a když „slyší“ vysílání, budou zticha). Vzhledem k tomu, že signál rušení je mnohem kratší než velikost celého snímku, při použití algoritmu CSMA / CD se velikost použité kapacity kanálu nečinnosti zkrátí na dobu potřebnou k detekci kolize. Včasná detekce kolize vede k efektivnějšímu využití kanálu. Pozdní detekce kolizí, která je vlastní delším sítím, kdy průměr kolizní domény je několik kilometrů, což snižuje efektivitu sítě. Na základě zjednodušeného teoretického modelu chování vytížené sítě (za předpokladu velkého počtu současně vysílacích stanic a pevné minimální délky přenášených rámců pro všechny stanice) lze výkon sítě U vyjádřit pomocí poměru PDV/ST:

Kde je základem přirozeného logaritmu. Výkon sítě je ovlivněn velikostí překládaných rámců a průměrem sítě. Výkon v nejhorším případě (když PDV=ST) je asi 37 % a v nejlepším případě (kdy je PDV mnohem menší než ST) má tendenci k 1. Přestože vzorec je odvozen v limitu velkého počtu stanic, které se snaží vysílat současně , nebere v úvahu zvláštnosti zkráceného binárního exponenciálního zpoždění algoritmu diskutované níže a neplatí pro síť silně přetíženou kolizemi, například když existuje více než 15 stanic, které chtějí vysílat.

Zkrácené binární exponenciální zpoždění(zkrácený binární exponenciální backoff). Algoritmus CSMA/CD přijatý ve standardu IEEE 802.3 je nejblíže algoritmu 1-konstanty, ale liší se dalším prvkem - zkráceným binárním exponenciálním zpožděním. Když dojde ke kolizi, stanice při odesílání paketu spočítá, kolikrát za sebou ke kolizi dojde. Vzhledem k tomu, že opakované kolize indikují vysoké zatížení prostředí, MAC uzel se snaží prodloužit zpoždění mezi opakováním rámců. Odpovídající postup pro prodlužování časových intervalů se řídí pravidlem zkrácené binární exponenciální zpoždění.

Náhodná pauza se vybírá podle následujícího algoritmu:

Pauza \u003d Lx (interval zpoždění),

kde (interval backoff) = 512 bitové intervaly (51,2 μs);

L je celé číslo vybrané se stejnou pravděpodobností z rozsahu , kde N je číslo opakování daného rámce: 1,2,..., 10.

Po 10. pokusu se interval, ze kterého se volí pauza, nezvyšuje. Náhodná pauza tedy může nabývat hodnot od 0 do 52,4 ms.

Pokud 16 po sobě jdoucích pokusů o přenos rámce způsobí kolizi, pak se vysílač MUSÍ přestat pokoušet a rámec zahodit.

Algoritmus CSMA/CD využívající zkrácené binární exponenciální zpoždění je uznáván jako nejlepší z mnoha algoritmů s náhodným přístupem a zajišťuje efektivní síťový provoz při nízkém i středním zatížení. Při velkém stahování je třeba poznamenat dvě nevýhody. Za prvé, při velkém počtu kolizí má stanice 1, která se chystá poprvé odeslat rámec (předtím se nepokusila o přenos rámců), výhodu oproti stanici 2, která se již neúspěšně pokusila vysílat rámec. několikrát, narážející do kolize. Protože stanice 2 čeká značné množství času před následnými pokusy v souladu s pravidlem binárního exponenciálního zpoždění. Lze tedy pozorovat nepravidelnost rámce, což je nežádoucí pro časově závislé aplikace. Za druhé, s velkým zatížením klesá účinnost sítě jako celku. Odhady ukazují, že při současném vysílání 25 stanic se celková šířka pásma zmenší asi 2x. Počet stanic v kolizní doméně však může být větší, protože ne všechny budou k médiu přistupovat ve stejnou dobu.

Příjem snímků (obr.11.6)

Obrázek 11.6. Blokové schéma algoritmu CSMA / CD (vrstva MAC): při příjmu rámce stanicí

Přijímací stanice nebo jiné síťové zařízení, jako je rozbočovač nebo přepínač, se nejprve synchronizuje na preambuli a poté převede kód Manchester do binární podoby (na fyzické vrstvě). Dále se zpracuje binární tok.

Na vrstvě MAC jsou zbývající bity preambule vyčištěny a stanice přečte cílovou adresu a porovná ji se svou. Pokud se adresy shodují, pak se pole rámců kromě preambule, SDF a FCS uloží do vyrovnávací paměti a vypočítá se kontrolní součet, který se porovná s polem kontrolní sekvence rámce FCS (s použitím metody cyklického součtu CRC-32). Pokud jsou stejné, pak je obsah vyrovnávací paměti předán protokolu vyšší úrovně. V opačném případě je rámeček vyřazen. Výskyt kolize při příjmu rámce je detekován buď změnou elektrického potenciálu, pokud je použit koaxiální segment, nebo skutečností přijetí vadného rámu, nesprávným kontrolním součtem, pokud je použit kroucený pár nebo optické vlákno . V obou případech jsou přijaté informace zahozeny.

Z popisu přístupové metody je vidět, že má pravděpodobnostní charakter a pravděpodobnost úspěšného získání společného prostředí, které má k dispozici, závisí na zatížení sítě, tedy na intenzitě potřeby přenosu rámců. ve stanicích. Při vývoji této metody na konci 70. let se předpokládalo, že rychlost přenosu dat 10 Mbit/s je ve srovnání s potřebami počítačů při vzájemné výměně dat velmi vysoká, takže zatížení sítě bude vždy malé. Tento předpoklad zůstává někdy pravdivý dodnes, nicméně již se objevily multimediální aplikace v reálném čase, které jsou na ethernetových segmentech velmi vytížené. V tomto případě ke kolizím dochází mnohem častěji. Když je četnost kolizí vysoká, užitečná propustnost ethernetové sítě prudce klesá, protože síť je téměř neustále zaneprázdněna opakováním rámců. Pro snížení intenzity kolizí je potřeba buď omezit provoz, například snížením počtu uzlů v segmentu nebo výměnou aplikací, nebo zvýšit rychlost protokolu, například přejít na Fast Ethernet.

Je třeba poznamenat, že přístupová metoda CSMA/CD obecně nezaručuje stanici, že bude mít někdy přístup k médiu. Samozřejmě při malém zatížení sítě je pravděpodobnost takové události malá, ale s faktorem využití sítě blížícím se 1 se taková událost stává velmi pravděpodobnou. Tento nedostatek metody náhodného přístupu je kompromisem za její extrémní jednoduchost, díky níž je Ethernet nejlevnější technologií. Jiné přístupové metody - tokenový přístup sítí Token Ring a FDDI, metoda Priorita poptávky sítí 100VG-AnyLAN - tento nedostatek neobsahují.

V důsledku zohlednění všech faktorů byl pečlivě zvolen poměr mezi minimální délkou rámce a maximální možnou vzdáleností mezi stanicemi sítě, což zajišťuje spolehlivou detekci kolize. Tato vzdálenost se také nazývá maximální průměr sítě.

Se zvyšující se snímkovou frekvencí, jak tomu je u nových standardů založených na stejné metodě přístupu CSMA/CD, jako je Fast Ethernet, se maximální vzdálenost mezi stanicemi sítě snižuje úměrně se zvýšením přenosové rychlosti. Ve standardu Fast Ethernet je to asi 210 m a ve standardu Gigabit Ethernet by to bylo omezeno na 25 metrů, pokud by vývojáři standardu nepřijali nějaká opatření ke zvýšení minimální velikosti paketů.

V tabulce. 11.1 ukazuje hodnoty hlavních parametrů postupu přenosu rámce 802.3, které nezávisí na implementaci fyzického média. Je důležité poznamenat, že každá verze fyzického prostředí technologie Ethernet k těmto omezením přidává svá vlastní, často přísnější omezení, která musí být také splněna a o kterých bude pojednáno níže.

Tabulka 11.1.Parametry vrstvy Ethernet MAC

Formáty rámců Ethernet

Standard technologie Ethernet popsaný v dokumentu IEEE 802.3 popisuje formát rámce jedné vrstvy MAC. Vzhledem k tomu, že rámec vrstvy MAC musí vnořit rámec vrstvy LLC popsaný v dokumentu IEEE 802.2, podle standardů IEEE lze v síti Ethernet použít pouze variantu rámce s jednou linkovou vrstvou, jejíž hlavička je kombinací hlaviček MAC a LLC. podvrstev.

V praxi však sítě Ethernet používají na vrstvě datového spojení rámce 4 různých formátů (typů). To je způsobeno dlouhou historií vývoje technologie Ethernet, která sahá až do období existence před přijetím standardů IEEE 802, kdy podvrstva LLC nebyla oddělena od obecného protokolu, a proto nebyla hlavička LLC použitý.

Konsorcium tří firem Digital, Intel a Xerox v roce 1980 předložilo výboru 802.3 svou proprietární verzi standardu Ethernet (ve kterém byl přirozeně popsán určitý formát rámce) jako návrh mezinárodního standardu, ale výbor 802.3 přijal standard, který se liší. v některých detailech z nabídek DIX. Rozdíly se týkaly také formátu rámců, což dalo vzniknout existenci dvou různých typů rámců v sítích Ethernet.

Další formát rámců je výsledkem snah Novellu zrychlit svůj protokolový zásobník v ethernetových sítích.

A konečně, čtvrtý formát snímku byl výsledkem snahy komise 802:2 přivést předchozí formáty snímků k nějakému společnému standardu.

Rozdíly ve formátech rámců mohou vést k nekompatibilitě mezi hardwarem a síťovým softwarem navrženým pro práci pouze s jedním standardem rámce Ethernet. Dnes však prakticky všechny síťové adaptéry, ovladače síťových adaptérů, mosty/přepínače a směrovače zvládnou všechny běžně používané formáty ethernetových rámců s automatickým rozpoznáním typu rámce.

Níže je uveden popis všech čtyř typů ethernetových rámců (rámec zde znamená celou sadu polí, která se vztahují k linkové vrstvě, tedy pole úrovní MAC a LLC). Stejný typ rámce může mít různé názvy, takže níže jsou některé z nejběžnějších názvů pro každý typ rámce:

• rám 802.3/LLC (rámec 802.3/802.2 nebo rám Novell 802.2);
• Raw 802.3 frame (nebo Novell 802.3 frame);
• Ethernet DIX rámec (nebo Ethernet II rámec);
• Ethernetový SNAP rámec.

Formáty pro všechny tyto čtyři typy ethernetových rámců jsou znázorněny na obrázku 1. 11.7.

Rám 802.3/LLC

Záhlaví rámce 802.3/LLC je výsledkem kombinace polí záhlaví rámce definovaných ve standardech IEEE 802.3 a 802.2.

Standard 802.3 definuje osm polí záhlaví (obrázek 11.7; pole preambule a oddělovač počátečního rámce nejsou na obrázku zobrazeny).

• Pole preambule (preambule) sestává ze sedmi synchronizačních bytů 10101010. Při kódování Manchester je tato kombinace ve fyzickém médiu reprezentována periodickým vlnovým signálem o frekvenci 5 MHz.
• Oddělovač začátku snímku (SFD) sestává z jednoho bajtu 10101011. Výskyt této bitové kombinace je indikací, že další bajt je prvním bytem záhlaví rámce.
• Cílová adresa (DA) může mít délku 2 nebo 6 bajtů. V praxi se vždy používají adresy 6 bajtů. První bit horního bajtu cílové adresy udává, zda je adresa individuální nebo skupinová. Pokud je 0, pak je adresa individuální (unicast), a pokud 1, tak toto skupinová adresa (multicast). Pokud se adresa skládá ze všech jedniček, to znamená, že má hexadecimální zastoupení 0xFFFFFFFFFFFF, pak je určena pro všechny síťové uzly a nazývá se vysílací adresa (vysílání).

Ve standardech IEEE Ethernet je nejméně významný bit bajtu zobrazen na levém místě pole a nejvýznamnější bit na pravém místě. Tento nestandardní způsob zobrazení pořadí bitů v byte odpovídá pořadí, ve kterém jsou bity přenášeny na komunikační lince ethernetovým vysílačem. Standardy jiných organizací, jako je RFC IETF, ITU-T, ISO, používají tradiční reprezentaci bajtu, kdy se za nejméně významný bit považuje bit nejvíce vpravo a za nejvýznamnější bit je ten nejvíce vlevo. V tomto případě zůstává pořadí bajtů tradiční. Proto při čtení standardů publikovaných těmito organizacemi nebo při čtení dat zobrazených na obrazovce operačním systémem nebo analyzátorem protokolů musí být hodnoty každého bajtu ethernetového rámce zrcadleny, aby bylo dosaženo správné reprezentace významu bitů tohoto bajtu podle dokumentů IEEE. Například adresa vícesměrového vysílání v zápisu IEEE ve tvaru 1000 0000 0000 0000 1010 0111 1111 0000 0000 0000 0000 0000 nebo v hexadecimálním zápisu 80-00-A7-FO-0 bude s největší pravděpodobností zobrazena protokolem a00FO-0 tradiční forma jako 01-00-5E-0F-00-00.

• Zdrojová adresa (SA) – toto je 2- nebo 6bajtové pole obsahující adresu hostitele, který odeslal rámec. První bit adresy je vždy 0.
• Délka (Length, L) - 2bajtové pole, které určuje délku datového pole v rámci.
• Datové pole (Data) může obsahovat od 0 do 1500 bajtů. Pokud je však délka pole menší než 46 bajtů, pak se další pole – pole výplně – použije k vyplnění rámce na minimální povolenou hodnotu 46 bajtů.
• Polstrování pole sestává z počtu bajtů výplně, která poskytuje minimální délku datového pole 46 bajtů. Tím je zajištěno, že mechanismus detekce kolize funguje správně. Pokud je délka datového pole dostatečná, pak se pole výplně v rámci nezobrazí.
• Pole kontrolního součtu (Frame Check Sequence, PCS) sestává ze 4 bajtů obsahujících kontrolní součet. Tato hodnota je vypočítána pomocí algoritmu CRC-32. Po přijetí rámce provede pracovní stanice svůj vlastní výpočet kontrolního součtu pro tento rámec, porovná přijatou hodnotu s hodnotou pole kontrolního součtu, a tak určí, zda je přijatý rámec poškozen.

Rámec 802.3 je rámcem podvrstvy MAC, proto je v souladu se standardem 802.2 do jeho datového pole vložen rámec podvrstvy LLC s odstraněným začátkem a koncem příznaků rámce. Formát rámce LLC byl popsán výše. Protože rámec LLC má záhlaví 3 (v režimu LLC1) nebo 4 bajty (v režimu LLC2), maximální velikost datového pole je snížena na 1497 nebo 1496 bajtů.

Obrázek 11.7. Formáty rámců Ethernet

Podobné informace.

Data přenášená po síti Ethernet jsou rozdělena do rámců. Připomeňme, že téměř každá síťová technologie (bez ohledu na její úroveň) odpovídá jednotce přenosu dat: Ethernet - rámec, ATM - buňka, IP - datagram atd. Data nejsou přenášena po síti v čisté formě. K datové jednotce je zpravidla „připojena“ hlavička. V některých síťových technologiích je také přidána koncovka. Název a konec nesou servisní informace a sestávají z určitých polí.

Protože existuje více typů rámců, musí odesílatel a příjemce používat stejný typ rámce, aby si navzájem rozuměli. Rámečky mohou být ve čtyřech různých formátech, které se od sebe mírně liší. Existují pouze dva základní formáty rámců (raw formáty) – Ethernet II a Ethernet 802.3. Tyto formáty se liší účelem pouze jednoho pole.

Pro úspěšné doručení informace příjemci musí každý rámec obsahovat kromě dat i servisní informace: délku datového pole, fyzické adresy odesílatele a příjemce, typ síťového protokolu atd.

Aby mohly pracovní stanice komunikovat se serverem ve stejném segmentu sítě, musí podporovat formát jednoho rámce. Existují čtyři hlavní typy ethernetových rámců:

• Ethernet typu II
• Ethernet 802.3
• Ethernet 802.2
• Ethernet SNAP (SubNetwork Access Protocol).

Uvažujme pole společná pro všechny čtyři typy rámců (obr. 1).

Rýže. 1. Common Ethernet frame format

Pole v rámci mají následující význam:

• Pole "Preambule" a "Příznak zahájení rámce" jsou určena pro synchronizaci odesílatele a příjemce. Preambule je 7bajtová sekvence jedniček a nul. Pole příznaku zahájení rámce má velikost 1 bajt. Tato pole se neberou v úvahu při výpočtu délky rámce.
• Pole "Destination Address" se skládá ze 6 bajtů a obsahuje fyzickou adresu zařízení v síti, kterému je tento rámec adresován. Hodnoty tohoto a dalšího pole jsou jedinečné. Každý výrobce ethernetového adaptéru má přiřazeny první tři bajty adresy, zatímco zbývající tři bajty určuje přímo výrobce. Například u adaptérů 3Com budou fyzické adresy začínat 0020AF. První bit cílové adresy má zvláštní význam. Pokud je 0, jedná se o adresu konkrétního zařízení (pouze v tomto případě první tři bajty slouží k identifikaci výrobce síťové karty) a pokud 1 - broadcast. Normálně jsou ve vysílací adrese všechny zbývající bity také nastaveny na jedničku (FF FF FF FF FF FF).
• Pole "Adresa odesílatele" se skládá ze 6 bajtů a obsahuje fyzickou adresu zařízení v síti, které tento rámec odeslalo. První bit adresy odesílatele je vždy nula.
• Pole Length/Type může obsahovat délku nebo typ rámce v závislosti na používaném ethernetovém rámci. Pokud pole určuje délku, je zadána ve dvou bajtech. Pokud typ - pak obsah pole udává typ protokolu horní vrstvy, ke kterému tento rámec patří. Například při použití protokolu IPX je hodnota pole 8137 a pro protokol IP je to 0800.
• Pole "Data" obsahuje data rámce. Nejčastěji se jedná o informace potřebné protokoly vyšší úrovně. Toto pole nemá pevnou délku.
• Pole "Kontrolní součet" obsahuje výsledek výpočtu kontrolního součtu všech polí kromě peramble, znaménka začátku rámce a samotného kontrolního součtu. Výpočet provede odesílatel a přidá se do rámce. Podobný postup výpočtu se provádí na zařízení příjemce. Pokud výsledek výpočtu neodpovídá hodnotě tohoto pole, předpokládá se, že při přenosu došlo k chybě. V tomto případě je rámec považován za poškozený a ignorován.

Je třeba poznamenat, že minimální povolená délka pro všechny čtyři typy ethernetových rámců je 64 bajtů a maximum je 1518 bajtů. Vzhledem k tomu, že pro servisní informace je v rámci alokováno 18 bajtů, může mít pole "Data" délku 46 až 1500 bajtů. Pokud jsou data přenášená po síti menší než povolená minimální délka, rámec bude automaticky doplněn na 46 bajtů. Taková přísná omezení minimální délky rámce jsou zavedena pro zajištění normální činnosti mechanismu detekce kolize.

1000Base-X

Specifikace 1000BASE-X vyžaduje použití média z optických vláken. Tento standard je založen na technologii založené na standardu ANSI Fibre Channel (ANSI X3T11).

Technologie 1000BASE-X umožňuje tři různá přenosová média, tedy tři varianty: 1000BASE-SX, 1000BASE-LX a 1000BASE-CX.

1000Base-SX

Nejčastěji používaná a nejlevnější technologie založená na standardním vícevidovém vláknu. Maximální vzdálenost pro 1000BASE-SX je 220 metrů. Použitá vlnová délka je 850 nm, S znamená krátká vlnová délka.

Této hodnoty lze samozřejmě dosáhnout pouze při plně duplexním přenosu dat, protože čas pro dvojnásobný obrat signálu přes dva segmenty 220 metrů je 4400 bt, což překračuje hranici 4095 bt i bez zohlednění opakovače a síťových adaptérů. . Pro poloduplexní přenos musí být maximální délky segmentů optických kabelů vždy menší než 100 metrů.

1000Base-LX

Technologie 1000BASE-LX se obvykle používá u jednovidových vláken, zde je povolená vzdálenost 5 kilometrů. Specifikace 1000Base-LX může fungovat i na multimodovém kabelu. V tomto případě je maximální vzdálenost malá - 550 metrů.

Pro specifikaci 1000Base-LX je jako zdroj záření vždy použit polovodičový laser o vlnové délce 1300 nm.

1000Base-CX

Technologie 1000BASE-CX využívá nejvýraznější ze tří médií. Jedná se o aplikační řešení, které využívá předem krimpované stíněné kroucené dvoulinky.

Konektor není jednoduchý RJ-45 běžně používaný v 10/100/1000Base-T. Místo toho se k ukončení dvou párů vodičů používá DB-9 nebo HSSDS. Technologie 1000BASE-CX funguje na vzdálenost až 25 m, což omezuje její použití na malé plochy.

1000Base-T

Specifikace 1000Base-T funguje přes kroucenou dvoulinku kategorie 5.

Každý pár kabelů kategorie 5 má garantovanou šířku pásma až 100 MHz. Pro přenos dat přes takový kabel rychlostí 1000 Mbit / s bylo rozhodnuto zorganizovat paralelní přenos současně podél všech 4 párů kabelu.

To okamžitě snížilo rychlost přenosu dat pro každý pár na 250 Mbps.

Pro zakódování dat byl použit kód PAM5 s použitím 5 úrovní potenciálu: -2, -1, 0, +1, +2. V jednom hodinovém cyklu se tedy přes jeden pár přenese 2,322 bitů informací. Proto lze hodinovou frekvenci snížit na 125 MHz místo 250 MHz. Současně, pokud nejsou použity všechny kódy, ale je přenášeno 8 bitů na takt (ve 4 párech), je zachována požadovaná přenosová rychlost 1000 Mbps a stále existuje rezerva nevyužitých kódů, protože kód RAM5 obsahuje 5 4 = 625 kombinací, a pokud je 8 bitů dat přenášeno v jednom cyklu přes všechny čtyři páry, pak to vyžaduje pouze 2 8 = 256 kombinací. Zbývající kombinace může přijímač použít k ovládání přijímaných informací a zvýraznění správných kombinací na pozadí šumu. Kód PAM5 na 125 MHz je v šířce pásma 100 MHz kabelu kategorie 5.

Pro rozpoznání kolizí a organizaci plně duplexního režimu používá specifikace techniku, ve které oba vysílače vzájemně spolupracují na každém ze 4 párů ve stejném frekvenčním rozsahu, protože používají stejný potenciální kód PAM5 (obr. 12) . Hybridní schéma oddělení H umožňuje přijímači a vysílači stejného uzlu používat kroucenou dvojlinku pro vysílání i příjem současně.

Obrázek 12. Obousměrný přenos přes 4 páry UTP cat5 v gigabitu

Aby přijímač oddělil přijímaný signál od vlastního, odečte svůj známý signál od výsledného signálu. Nejedná se o jednoduchou operaci a k ​​jejímu provedení se používají speciální digitální signálové procesory - DSP (Digital Signal Processor).