2.1 Стандарт 802.3, сети Ethernet

Ethernet в настоящее время является наиболее распространенным стандартом локальных компьютерных сетей. Его область применения не ограничивается классическими компьютерными сетями. Очень часто при построении многоуровневых систем управления на нижних уровнях применяют системы на основе стандартов промышленных сетей, а для передачи данных между управляющими компьютерами на верхних уровнях - сети Ethernet. Эта распространенность свидетельствует о высокой эффективности при относительно невысоких затратах на создание и эксплуатацию. Стандарт 802.3 определяет параметры физического уровня и процедуры MAC уровня локальной сети.

Физический уровень стандарта предполагает скорость передачи данных 10 Мбит/сек, 100 Мбит/сек. Существуют версии стандарта с более высокими скоростями передачи данных. Конечно, речь идет о физической скорости формирования и передачи сигналов, эффективная скорость передачи данных всегда ниже. В качестве линий связи предусматривается использование витой пары, коаксиального кабеля или волоконно-оптического кабеля. Сигнальное кодирование на скорости 10 - манчестерский код, на скорости 100 - код NRZ.

MAC уровень предполагает логическую топологию общая шина и вероятностный метод доступа CSMA/CD (коллективный доступ с прослушиванием несущей и обнаружением коллизий). Это является основной особенностью сетей Ethernet. Все MAC кадры, передаваемые по общей шине, принимаются всеми узлами сети. Необходимость в обработке кадра определяется каждым узлом самостоятельно по MAC адресу узла назначения. Для идентификации передатчика каждый кадр также содержит MAC адрес узла источника. Естественно, что в пределах одной сети узлы должны иметь уникальные MAC адреса. Все необходимые процедуры MAC уровня реализуются устройством, называемым сетевым адаптером.

Доступ к среде передачи данных осуществляется следующим образом. Все узлы постоянно прослушивают линию связи. Если линия связи занята, т.е. идет передача кадра, до тех пор, пока линия не освободится, больше ни один из узлов не имеет права начинать передачу. Если в текущий момент времени линия связи свободна, каждый узел имеет право начать передачу. Из-за случайного характера передачи кадров узлами сети, всегда есть определенная вероятность того, что несколько узлов одновременно начнут передачу. Такая ситуация, называемая коллизией, является нормальным, хотя и нежелательным явлением. При коллизии корректная передача данных невозможна, поэтому все узлы должны прекратить передачу и затем, позже предпринять новую попытку передачи. Для обнаружения коллизий сетевые адаптеры содержат специальные детекторы коллизий.

Между передачами кадров должна выдерживаться специальная пауза длительностью 9,6 мкс. Это время необходимо каждому сетевому адаптеру для обработки принятого кадра. Если корректный MAC кадр адресован другим узлам, после обработки сетевым адаптером он отбрасывается. Если - адресован этому узлу, кадр передается вышестоящим уровням для дальнейшей обработки.

Как законченное сообщение, MAC кадр имеет строго определенную структуру. Передача всегда начинается с преамбулы длиной 7 байт (10101010), затем следует начальный разделитель SFD (10101011), далее - адрес назначения DA (6 байт), адрес источника SA (6 байт), длина поля данных (2 байта), данные (0 - 1500 байт, если поле данных менее 46 байт, оно дополняется до 46 байт для корректного обнаружения коллизий), контрольная сумма CRC - 32. Сетевой адаптер при приеме кадра должен распознавать следующие ошибки: длинный кадр (более 1518 байт), короткий кадр (менее 64 байт), "болтливый" кадр (длинный с неправильной CRC), ошибка выравнивания (не кратно байту), ошибка CRC.

Адрес назначения DA может быть трех типов: уникальный MAC - адрес узла приемника (первый байт 00h или 02h), широковещательный адрес (все элементы FF-FF…), групповой адрес (первый байт 01). Уникальный MAC - адрес определяется производителем сетевого адаптера и назначается комитетом IEEE (2 байта - код производителя, 3 байта - серийный номер). Адрес источника SA всегда уникальный. LLC - кадр целиком помещается в поле данных MAC - кадра. CRC контролирует все поля кадра, начиная с DA.

Максимальная эффективная скорость передачи данных зависит от длины кадра. Для физической скорости 10 Мбит/сек при коротких кадрах она составляет 5,48 Мбит/сек, а при длинных кадрах - 9,76. Очевидно, что это только теоретически достижимая скорость, т.к. такие значения возможны при отсутствии коллизий. При высокой нагрузке на разделяемую среду передачи данных вероятность коллизий существенно повышается, а реальная скорость передачи данных соответствующим образом снижается. Считается, что сети Ethernet эффективно работают при нагрузке до 30%. При большем трафике постоянные коллизии могут практически заблокировать передачу данных.

Коллизии и алгоритмы выхода из коллизий.

Коллизия - одновременная передача сигналов несколькими узлами, обнаруживается специальными детекторами коллизий, содержащимися в сетевых адаптерах каждого узла. Опознавание коллизий производится с помощью контроля уровня сигналов в линии связи. При волновом сопротивлении 50 Ом и выходном токе передатчика 40 мА, уровень нормального сигнала не превышает 1 В. При коллизии, когда сигналы формируются одновременно двумя передатчиками, уровень сигнала достигает 2 В. Детектор коллизий реагирует на сигналы, уровень которых превышает 1,5 В. Отсюда вытекает первое ограничение на длину линии связи (10Base-5 - 500 м, 10Base-2 - 185 м, 10Base-Т - 100 м). В приемниках должны надежно идентифицироваться и обычные сигналы манчестерского кода, и сигналы коллизий. Длина линий связи может быть увеличена только с помощью дополнительных коммуникационных устройств - повторителей и концентраторов (хабов). Следует иметь в виду, что существуют жесткие ограничения и на предельную длину, и на количество коммуникационных устройств, так называемое "правило 5-4-3".

Это правило задает следующие требования к физической топологии:

общее количество кабельных сегментов может быть различным, но допустимы только "древовоидные" структуры связей, между любой парой узлов должен существовать только один путь;

между любой парой узлов максимальное количество кабельных сегментов - 5, максимальное количество хабов - 4, активных сегментов, содержащих хотя бы 1 узел - 3.

Кроме ограничений на длину линий связи из-за ослабления сигналов действуют ограничения, связанные с задержкой сигналов из-за конечной скорости распространения. Эти ограничения являются более существенными. Для надежного распознавания коллизий всеми узлами сети необходимо, чтобы время передачи кадра превышало время двойного оборота PDV. Только в этом случае коллизии будут надежно определяться даже для самых удаленных друг от друга узлов сети. PDV зависит от типа линии связи и от ее длины, а минимальная длина кадра ограничена в стандарте.

При обнаружении коллизии узел должен прервать передачу в любом месте кадра и вместо сигналов манчестерского кода передать jam-последовательность. Все сетевые адаптеры принятые данные просто отбрасывают без обработки. Повторная передача кадра разрешена через время кратное интервалу отсрочки TS=51,2 мкс. Причем интервал времени выбирается случайным образом по следующему правилу:

T = TSx (0-2 ⁿ⁾,

где n (номер попытки не более 10)

Таким образом, время задержки для повторной передачи лежит в пределах от 0 до 52,4 мсек. Если после 16 попыток передача не состоялась, на верхний уровень выдается сообщение о невозможности передачи данных.

При увеличении скорости передачи данных, например замена спецификации 10 Base на 100Base, ужесточаются топологические ограничения. В первую очередь это связано с требованиями надежного обнаружения коллизий. Для структуризации сети требуется применение специальных коммуникационных устройств.

Домен коллизий - это сеть, в которой узлы распознают коллизию независимо от того, в какой части сети она произошла. При слишком больших доменах коллизий сеть может стать неэффективной. В этом случае сеть разделяют на несколько доменов коллизий (логических сегментов) применением мостов или коммутаторов. Такая структуризация сети позволяет не только снизить нагрузку на каждый домен, но и смягчить ограничения по предельному числу узлов и максимальной длине линий связи.