Стандарты технологии Ethernet

Ethernet - это самый распространенный на сегодняшний день стандарт локальных сетей. Общее количество сетей, использующих в настоящее время Ethernet, оценивается в 5 миллионов, а количество компьютеров, работающих с установленными сетевыми адаптерами Ethernet - в 50 миллионов.

Когда говорят Ethernet, то под этим обычно понимают любой из вариантов этой технологии. В более узком смысле, Ethernet - это сетевой стандарт, основанный на технологиях экспериментальной сети Ethernet Network, которую фирма Xerox разработала и реализовала в 1975 году (еще до появления персонального компьютера). Метод доступа был опробован еще раньше: во второй половине 60-х годов в радиосети Гавайского университета использовались различные варианты случайного доступа к общей радиосреде, получившие общее название Aloha. В 1980 году фирмы DEC, Intel и Xerox совместно разработали и опубликовали стандарт Ethernet версии II для сети, построенной на основе коаксиального кабеля. Поэтому стандарт Ethernet иногда называют стандартом DIX по заглавным буквам названий фирм.

На основе стандарта Ethernet DIX был разработан стандарт IEEE 802.3, который во многом совпадает со своим предшественником, но некоторые различия все же имеются. В то время, как в стандарте IEEE 802.3 различаются уровни MAC и LLC, в оригинальном Ethernet оба эти уровня объединены в единый канальный уровень. В Ethernet определяется протокол тестирования конфигурации (Ethernet Configuration Test Protocol), который отсутствует в IEEE 802.3. Несколько отличается и формат кадра, хотя минимальные и максимальные размеры кадров в этих стандартах совпадают.

В зависимости от типа физической среды стандарт IEEE 802.3 имеет различные модификации - 10Base-5, 10Base-2, 10Base-T, 10Base-F.

Для передачи двоичной информации по кабелю для всех вариантов физического уровня технологии Ethernet используется манчестерский код.

Все виды стандартов Ethernet используют один и тот же метод разделения среды передачи данных - метод CSMA/CD.

Метод доступа CSMA/CD

В сетях Ethernet используется метод доступа к среде передачи данных, называемый методом коллективного доступа с опознаванием несущей и обнаружением коллизий (carrier-sense-multiply-access with collision detection, CSMA/CD).

Метод CSMA/CD определяет основные временные и логические соотношения, гарантирующие корректную работу всех станций в сети:

Между двумя последовательно передаваемыми по общей шине кадрами информации должна выдерживаться пауза в 9.6 мкс; эта пауза нужна для приведения в исходное состояние сетевых адаптеров узлов, а также для предотвращения монопольного захвата среды передачи данных одной станцией.

При обнаружении коллизии (условия ее обнаружения зависят от применяемой физической среды) станция выдает в среду специальную 32-х битную последовательность (jam-последовательность), усиливающую явление коллизии для более надежного распознавания ее всеми узлами сети.

После обнаружения коллизии каждый узел, который передавал кадр и столкнулся с коллизией, после некоторой задержки пытается повторно передать свой кадр. Узел делает максимально 16 попыток передачи этого кадра информации, после чего отказывается от его передачи. Величина задержки выбирается как равномерно распределенное случайное число из интервала, длина которого экспоненциально увеличивается с каждой попыткой. Такой алгоритм выбора величины задержки снижает вероятность коллизий и уменьшает интенсивность выдачи кадров в сеть при ее высокой загрузке.

Четкое распознавание коллизий всеми станциями сети является необходимым условием корректной работы сети Ethernet. Если какая-либо передающая станция не распознает коллизию и решит, что кадр данных ею передан верно, то этот кадр данных будет утерян, так как информация кадра исказится из-за наложения сигналов при коллизии, он будет отбракован принимающей станцией (скорее всего из-за несовпадения контрольной суммы). Конечно, скорее всего искаженная информация будет повторно передана каким-либо протоколом верхнего уровня, например, транспортным или прикладным, работающим с установлением соединения и нумерацией своих сообщений. Но повторная передача сообщения протоколами верхних уровней произойдет через гораздо более длительный интервал времени (десятки секунд) по сравнению с микросекундными интервалами, которыми оперирует протокол Ethernet. Поэтому, если коллизии не будут надежно распознаваться узлами сети Ethernet, то это приведет к заметному снижению полезной пропускной способности данной сети.

Все параметры протокола Ethernet подобраны таким образом, чтобы при нормальной работе узлов сети коллизии всегда четко распознавались. Именно для этого минимальная длина поля данных кадра должна быть не менее 46 байт (что вместе со служебными полями дает минимальную длину кадра в 72 байта или 576 бит). Длина кабельной системы выбирается таким образом, чтобы за время передачи кадра минимальной длины сигнал коллизии успел бы распространиться до самого дальнего узла сети. Поэтому для скорости передачи данных 10 Мб/с, используемой в стандартах Ethernet, максимальное расстояние между двумя любыми узлами сети не должно превышать 2500 метров.

С увеличением скорости передачи кадров, что имеет место в новых стандартах, базирующихся на том же методе доступа CSMA/CD, например, Fast Ethernet, максимальная длина сети уменьшается пропорционально увеличению скорости передачи. В стандарте Fast Ethernet она составляет 210 м, а в гигабитном Ethernet ограничена 25 метрами.

Независимо от реализации физической среды, все сети Ethernet должны удовлетворять двум ограничениям, связанным с методом доступа:

· максимальное расстояние между двумя любыми узлами не должно превышать 2500 м,

· в сети не должно быть более 1024 узлов.

Кроме того, каждый вариант физической среды добавляет к этим ограничениям свои ограничения, которые также должны выполняться.

Уточним основные параметры операций передачи и приема кадров Ethernet, кратко описанные выше.

Станция, которая хочет передать кадр, должна сначала с помощью MAC-узла упаковать данные в кадр соответствующего формата. Затем для предотвращения смешения сигналов с сигналами другой передающей станции, MAC-узел должен прослушивать электрические сигналы на кабеле и в случае обнаружения несущей частоты 10 МГц отложить передачу своего кадра. После окончания передачи по кабелю станция должна выждать небольшую дополнительную паузу, называемую межкадровым интервалом (interframe gap), что позволяет узлу назначения принять и обработать передаваемый кадр, и после этого начать передачу своего кадра.

Одновременно с передачей битов кадра приемно-передающее устройство узла следит за принимаемыми по общему кабелю битами, чтобы вовремя обнаружить коллизию. Если коллизия не обнаружена, то передается весь кадр, поле чего MAC-уровень узла готов принять кадр из сети либо от LLC-уровня.

Если же фиксируется коллизия, то MAC-узел прекращает передачу кадра и посылает jam-последовательность, усиливающую состояние коллизии. После посылки в сеть jam-последовательности MAC-узел делает случайную паузу и повторно пытается передать свой кадр.

В случае повторных коллизий существует максимально возможное число попыток повторной передачи кадра (attempt limit), которое равно 16. При достижении этого предела фиксируется ошибка передачи кадра, сообщение о которой передается протоколу верхнего уровня.

Для того, чтобы уменьшить интенсивность коллизий, каждый MAC-узел с каждой новой попыткой случайным образом увеличивает длительность паузы между попытками. Временное расписание длительности паузы определяется на основе усеченного двоичного экспоненциального алгоритма отсрочки (truncated binary exponential backoff). Пауза всегда составляет целое число так называемых интервалов отсрочки.

Интервал отсрочки (slot time) - это время, в течение которого станция гарантированно может узнать, что в сети нет коллизии. Это время тесно связано с другим важным временным параметром сети - окном коллизий (collision window). Окно коллизий равно времени двукратного прохождения сигнала между самыми удаленными узлами сети - наихудшему случаю задержки, при которой станция еще может обнаружить, что произошла коллизия. Интервал отсрочки выбирается равным величине окна коллизий плюс некоторая дополнительная величина задержки для гарантии:

интервал отсрочки = окно коллизий + дополнительная задержка

В стандартах 802.3 большинство временных интервалов измеряется в количестве межбитовых интервалов, величина которых для битовой скорости 10 Мб/с составляет 0.1 мкс и равна времени передачи одного бита.

Величина интервала отсрочки в стандарте 802.3 определена равной 512 битовым интервалам, и эта величина рассчитана для максимальной длины коаксиального кабеля в 2.5 км. Величина 512 определяет и минимальную длину кадра в 64 байта, так как при кадрах меньшей длины станция может передать кадр и не успеть заметить факт возникновения коллизии из-за того, что искаженные коллизией сигналы дойдут до станции в наихудшем случае после завершения передачи. Такой кадр будет просто потерян.

Локальные сети на передовом рубеже

Однако стандартизация сетей с широким территориальным охватом явно отстанет от аналогичного процесса в области их локальных аналогов, поскольку предвидится резкое увеличение объема приложений локальных сетей. Сети с широким территориальным охватом будут продолжать обслуживать значительную часть трафика данных, передаваемых на большие расстояния, и, возможно, займут доминирующее положение в магистральных сетях, служащих для соединения локальных сетей. Если это произойдет, то, вероятно, появятся специализированные аппаратные средства для физического уровня и отдельных частей уровня канала.

В стандартах на протоколы для локальных сетей с успехом использовались концепции более зрелых стандартов, разработанных для сетей общего пользования. Однако в отличие от последних локальные сети развивались по линии переноса все большего и большего числа протокольных функций в интерфейс между узлом и сетью. После того как функции уровня канала были реализованы в виде интегральных схем, встал вопрос о реализации в виде микросхемы стандартных программ, которые выполняют функции протоколов более высоких уровней.

Сегодня такое развитие можно предвидеть по той причине, что типичный узел локальной сети больше не является просто интерфейсом между всей вычислительной системой и сложной сетью (как в сети Arpanet), его даже нельзя считать средством обмена данными между группой терминалов и удаленным компьютером с помощью протокола X.3 сборки-разборки пакетов. Теперь узел превращается в канал связи между внешним миром и базой данных, обслуживающей конкретные устройства, например автоматизированные рабочие места, принтеры и текстовые процессоры.

Однако рынок аппаратуры локальных сетей все еще находится в младенческом состоянии, так что реализация протоколов в кремнии пока еще дело будущего. Сегодня локальные сети строятся почти исключительно в виде автономных систем, в пределах которых замыкается, по существу, весь их трафик. До недавних пор все обсуждения были сосредоточены на принципах построения самой сети, в первую очередь на нижних двух уровнях, охватывающих физические соединения и сопряженные с ними протоколы доступа к каналам.

Только в настоящее время стала ощущаться потребность в реализации функций, связанных с протоколами верхних уровней. Необходимость в обеспечении высоконадежного трафика данных стимулировала стандартизацию транспортного протокола, и серия реализуемых в кремнии стандартов (по четвертый уровень включительно) теперь позволяет выпустить на рынок сетевых средств «рабочую лошадку», которая обеспечит передачу данных между разнородными узлами. Маршрутизация и надежность приобрели «прозрачность».

Межсетевой интерфейс — окно в мир

Как минимум в ближайшее время средства передачи данных между локальными сетями различных поставщиков будут оставаться не-стандартизованными, хотя существует возможность соединения таких сетей на любом уровне — от физического до транспортного — путем создания прозрачного соединения или межсетевого интерфейса (шлюза). Это выполняется на подуровне 3c — межсетевом протоколе, — что для нынешней модели соединения открытых систем МОС соответствует протоколу транспортного уровня. Степень преобразования протоколов одной сети, обеспечивающая их эффективное использование в другой, определяет практическое исполнение шлюза.

Исходным пунктом процесса соединения сетей стало использование — в качестве общего компонента — сетей с коммутацией пакетов и широким территориальным охватом, с которых началась стандартизация, распространяющаяся теперь на все остальные элементы. Взаимная изоляция современных сетей породила рынок специализированных межсетевых интерфейсов, или шлюзов, которые рассчитаны на подключение к сетям с пакетной коммутацией и широким территориальным охватом. В связи с этой тенденцией МККТТ выпустил свои рекомендации X.75, определяющие особенности шлюзов между локальными сетями общего типа и сетями с коммутацией пакетов, использующими протокол X.25.

Средства, рассчитанные на протоколы X.25 и X.75, по всей вероятности, будут продолжать доминировать на рынке межсетевых интерфейсов. Однако небольшой сектор этого рынка образуют шлюзы между такими фирменными сетями, как Сетевая архитектура систем фирмы IBM и Система организации сетей фирмы Xerox Corp. Этот сектор имеет важное значение в настоящий момент, и его роль рано или поздно (ще возрастет, хотя такая тенденция пойдет вспять, как только доминирующее положение на рынке займут стандартные сети. Поскольку данный сектор рынка отличается фрагментарностью, специализированные системы будут попрежнему служить решением задачи создания межсетевых интерфейсов.

Основная трудность соединения сетей с локальным и широким территориальным охватом связана с различными типами применяемых сетевых уровней. Локальные сети будут, вероятно, применять протокол без установления соединений; в сетях широкого охвата будет использоваться более обширный и ориентированный на установление соединений сетевой уровень. Одно из важнейших требований здесь связано с необходимостью такой упорядоченности сетевого подуровня 3b, где параллельно реализуются два различных вида служебных средств, что позволит межсетевому подуровню осуществлять обмен данными между этими двумя средствами. Шлюзы будут также необходимы для организации связи как между службами сетей, требующих установления соединений, так и между аналогичными службами, не требующими соединения. Однако этот случай представляет собой меньшую проблему и не будет, по-видимому, встречаться столь же часто.

Кроме того, были предложены альтернативные схемы шлюзов, где соединения реализуются на таких уровнях, как транспортный. Осуществление соединений на более высоких уровнях дает возможность обойти главные несовместимые пункты обслуживающих сетей двух разных типов — с установлением соединений и без него. На более низких уровнях степень совместимости должна быть выше, однако реализация шлюза становится соответственно проще. На рис.3 показано несколько возможных схем построения шлюза.