4.2. Локальные сети технологии Ethernet

В сетях технологии Ethernet, построенных на основе логической топологии “общая шина”, разделяемая среда передачи данных является общей для всех пользователей. Для передачи данных используется манчестерский код, скорость передачи составляет 10 Мбит/с, т.е. длительность битового интервала равна 0,1 мкс. Между кадрами должен быть интервал длительностью 9,6 мкс. Переданную в сеть информацию может получить любой компьютер, у которого адрес сетевого адаптера совпадает с адресом DA передаваемого кадра, или все компьютеры сразу при широковещательной передаче. Однако передавать информацию в любой момент времени может только один узел. Такой способ обмена данными получил название метода множественного доступа к среде с распознаванием несущей и фиксацией коллизий (CSMA/CD – Carrier Sence Multiply Access with Collision Detection), суть которого объясняется ниже.

При одновременной передаче данных двумя компьютерами возникает так называемая коллизия, когда данные двух передающих узлов накладываются друг на друга и происходит потеря информации. Поэтому прежде чем начать передачу, узел должен убедиться, что общая шина свободна, для чего узел прослушивает среду. Если какой либо компьютер сети уже передает данные, то в сети обнаруживается несущая частота передаваемых сигналов. Если по окончании передачи сразу два узла попытаются одновременно начать передачу своих данных, то возникнет коллизия, которая фиксируется компьютерами. Узел, первым обнаруживший коллизию, усугубляет ее путем передачи в сеть специальных JAM сигналов для оповещения всех компьютеров сети. При этом компьютер должен немедленно прекратить передачу данных и выдержать паузу в течение некоторого случайного интервала времени. По окончании этого интервала узел может вновь попытаться передать свои данные.

Длительность паузы составляет

Т_п = Т_отс  L,

где Т_отс – интервал отсрочки, равный 512 битовым интервалам, т.е. при скорости 10 Мбит/с интервал отсрочки Т_отс = 51,2 мкс;

L – случайное целое число, выбранное из диапазона [0, 2^N], где N – номер повторной попытки передачи узлом данного кадра. N изменяется от 1 до 10. Всего повторных попыток передачи может быть 16, но после 10-ой попытки число N не увеличивается. Таким образом, L может принимать значения от 0 до 1024, а пауза Т_п = 0 – 52,4 мс. После 16-ой неудачной попытки, приведшей к коллизии, кадр отбрасывается.

Длительность передачи кадра Т_к должно быть больше максимально возможного времени обнаружения коллизии Т_вок. В этом случае узел, начавший передачу и затем обнаруживший коллизию, сможет повторно передать кадр, хранящийся в буфере. В противном случае переданный кадр теряется. Наихудший случай будет при передаче кадра минимальной длительности Т_кmin, когда должно выполняться условие Т_кmin  Т_вок. Максимально возможное время обнаружения коллизии Т_вок определяется размерами сети (диаметром сети). Т_{вок макс} – это время, за которое сигнал передаваемого кадра дойдет до самого удаленного узла и сигнал о коллизии вернется обратно. Это время получило название времени двойного оборота (PDV – Path Delay Value).

С учетом условия Т_кmin  Т_вок, а также времени задержки сигналов в устройствах сетевых адаптеров и концентраторов, максимальный диаметр сети Ethernet установлен 2500 м, а минимальная длина кадра вместе с преамбулой – 72 байта. Поэтому минимальная длина поля данных составляет 46 байт, а максимальная длина поля данных – 1497 байт. Основные технические характеристики сети Ethernet сведены в табл.4.1.

Таблица 4.1

Основные технические характеристики сети Ethernet

До недавнего времени сети Ethernet строились, как правило, на основе стандарта 10 Base-T, который в качестве разделяемой среды использует неэкранированную витую пару UTP и многопортовый повторитель hub (рис.4.4). Количество портов концентраторов разных типов варьируется от 8 до 72. Выход передатчика Т_х сетевого адаптера соединяется со входом приемника R_x концентратора hub, который, в свою очередь, соединен со всеми портами повторителя. Вход приемника сетевого адаптера R_x соединен с выходом передатчика концентратора Т_х. Максимальное расстояние между сетевым адаптером и концентратором составляет 100 м. Таким образом, диаметр сети, выполненной на одном концентраторе, будет 200 м.

Рис.4.4. Сеть Ethernet стандарта 10 Base-T

Для построения сети с большим числом узлов несколько концентраторов соединяют между собой, однако максимальное число концентраторов между двумя любыми компьютерами не должно быть больше 4. Требования к сети определяются правилом 5-4-3, в котором 5 – общее число сегментов сети, 4 – максимальное число концентраторов между любыми хостами, 3 – хосты могут быть только в трех сегментах. Структура сети должна быть древовидной, петлевые соединения запрещены.

Для реализации сетей максимального диаметра 2500 м используют оптоволоконный кабель, которым соединяют между собой концентраторы или узлы и концентраторы. Стандарт 10 Base-FВ предписывает соединения только между концентраторами. Причем, между узлами сети может быть до 5 концентраторов, а диаметр сети может быть увеличен до 2740 м.

В сетях, реализованных на многопортовых повторителях (рис.4.4) возможно возникновение коллизий трех типов:

• Локальная (Local)

• Удаленная (Remote)

• Поздняя (Late).

Локальные и удаленные коллизии случаются в течение передачи узлом первых 64 байт кадра. Локальные коллизии (local collision) в сетях спецификаций 10BASE-T, 100BASE-TX и 1000BASE-T обнаруживаются в локальном сегменте только, если станция детектирует сигнал на приемной паре RX в то же время, когда она посылает данные на передающую пару TX, причем станция работает в полудуплексном режиме.

Удаленная коллизия (remote collision) проявляется в том, что кадр, длина которого меньше минимальной, имеет ошибочную контрольную сумму, но не проявляет признаков локальной коллизии в виде превышения напряжения сигнала или одновременной деятельности приема и передачи (RX/TX). Этот сорт коллизий обычно случается на дальнем конце сети, подключенном через повторитель.

Коллизии, случившиеся после передачи узлом первых 64 байт данных называются поздними (late collisions). При возникновении локальных и удаленных коллизий Ethernet NIC автоматически повторно передаст кадр, который попал в коллизию. Однако NIC не будет автоматически повторно передавать кадр, с которым случилась поздняя коллизия.