Главная › Интернет › Физика Ethernet для самых маленьких. Материал из ПИЭ.Wiki

Физика Ethernet для самых маленьких. Материал из ПИЭ.Wiki

Интерфейсы локальных сетей в ПК обеспечивают сетевые адаптеры , или сетевые интерфейсные карты (Network Interface Card, NIC). Адаптеры имеют передающую и принимающую части, которые в случае поддержки полного дуплекса должны быть независимы друг от друга. Задача передающей части: по получении со стороны центрального процессора (ЦП) блока данных и адреса назначения для передачи получить доступ к среде передачи, сформировать и передать кадр (добавить преамбулу, CRC-код), делая повторные попытки в случае обнаружения коллизий, адаптер должен сообщить процессору об успехе или невозможности передачи, Приемная часть, просматривая заголовки всех кадров, проходящих в линии, «выуживает» из этого потока кадры, адресованные данному узлу уникальным, широковещательным или групповым способом. Адаптер можно программно настроить на «неразборчивый» режим (promiscuous mode), в котором он будет принимать все кадры без разбора. Кадры принимаются в буфер и проверяются на отсутствие ошибок (длина кадра, корректность CRC). О приеме корректных кадров уведомляется центральный процессор и организуется передача кадра из локального буфера адаптера в системную память компьютера. Ошибочные кадры, как правило, игнорируются, хотя адаптер может собирать статистику их появления. На практике попадаются и адаптеры, не обнаруживающие ошибок в поврежденных кадрах. Диагностика сети с таким адаптером непроста.
Сетевые адаптеры для PC выпускаются для шин ISA, EISA, MCA, VLB, PCI, PC Card. Существуют адаптеры, подключаемые к стандартному LPT-порту PC; их преимущество - отсутствие потребностей в системных ресурсах (порты, прерывания и т. п.) и легкость подключения (без вскрытия компьютеров), недостаток - при обмене они значительно загружают процессор и не обеспечивают высокой скорости передачи («потолок» - 10 Мбит/с). Есть адаптеры и для шины USB. Сетевые адаптеры интегрируются и в некоторые модели системных плат.
Эффективная скорость обмена данными по сети очень сильно зависит от архитектуры сетевых адаптеров и, при прочих равных условиях, от скорости передачи данных между локальной памятью адаптера и системной памятью компьютера, а также от возможности параллельного выполнения нескольких операций. В качестве «средств доставки» используются каналы прямого доступа к памяти (DMA), программный ввод-вывод (РIO), прямое управление шиной. Стандартные 8-битные каналы прямого доступа шины ISA способны развивать скорость до 2 Мбайт/с, 16-битные - до 4 Мбайт/с. Кадр максимальной длины (1514 байт) они передают примерно за 1,3 или 2,6 мс соответственно. По сравнению с 12 мс, требуемыми для передачи кадра в среде Ethernet, это время относительно невелико. Однако для Fast Ethernet, где тот же кадр в среде передается за 1,2 мс, такая транспортировка оказывается слишком медленной. Более высокую скорость обмена с буфером адаптера обеспечивает режим программного ввода-вывода (PIO), но он полностью загружает центральный процессор на время передачи. Более эффективны интеллектуальные адаптеры с прямым управлением шиной (bus mastering) ISA/ EISA, сочетающие относительно высокую скорость (до 8 Мбайт/с ISA 16 бит и до 33 Мбайт/с EISA). Однако для скорости 100 Мбит/с производительности шины ISA уже недостаточно. На сегодняшний день широко применяются адаптеры шины PCI, где для 32-разрядного интерфейса при частоте 33 МГц пропускная способность достигает 132 Мбайт/с. Но для технологии Gigabit Ethernet и этого только-только хватает, правда, у PCI есть резервы: переход на частоту 66 МГц и разрядность 64 бит, что позволяют далеко не все системные платы. Особенно эффективны активные адаптеры, имеющие собственный процессор, для шины PCL Они выполняют передачи на полной скорости PCI, практически не загружая центральный процессор. Это свойство особенно важно для серверов. Параллельное выполнение операций подразумевает поддержку полного дуплекса - полную независимость принимающей и передающей частей, а также возможность одновременного выполнения приема кадра в буфер, передачи другого кадра и обмена данными между буферной памятью адаптера и системной памятью компьютера. На производительность адаптера для ISA/EISA влияет и объем буферной памяти: при ограниченной (по сравнению со скоростью в линии) пропускной способности шины применяют буферную память объемом до 64 Кбайт, которую делят между передатчиком и приемником либо поровну, либо с преимуществом для передатчика. Для шины PCI при эффективных средствах доставки (интеллектуальное прямое управление шиной) для скорости 100 Мбит/с большой буфер не нужен - достаточно по 2 Кбайт на приемник и передатчик. Однако адаптеры Gigabit Ethernet опять снабжают буфером значительного размера (256 Кбайт).
Адаптеры можно разделить на две группы - адаптеры для рабочих станций и адаптеры для серверов. Деление условно - адаптеры для рабочих станций могут иметь черты, относящиеся к серверным. Использовать простые карты в серверах не стоит - они могут стать узким местом сети и «пожирателями» ресурсов ЦП.
Адаптеры для рабочих станций проще и дешевле - для них не требуется (пока?) скорости выше 100 Мбит/с, полный дуплекс встречается редко, к использованию процессорного времени особо жестких требований не предъявляют. Долгие годы широко применяются адаптеры, программно совместимые с картами NE2000 - 16-битными неинтеллектуальными картами для шины ISA разработки Novell-Eagle. Совместимость с этой моделью имеют и ряд карт для шины PCI. Наиболее удобны и популярны двухскоростные карты 10/100 Мбит/с - для их подключения в современных сетях легко найти оптимальное место. Карты обычно имеют колодку для установки Boot ROM, современные модели часто обеспечивают возможность «пробуждения» по сети (remote wake up), поддерживают интерфейс DMI и ACPI. Для этого они имеют специальный дополнительный 3-проводный интерфейс - кабель с коннектором, подключаемый к системной плате. По этому кабелю системная плата с питанием в стандарте АТХ подает дежурное напряжение (линия +5VSB), даже когда основное питание на системную плату и все устройства не подается. От этой линии питается «дежурная» принимающая схема, которая настроена на прием кадра специфического формата (Magic Packet) no сетевому интерфейсу. По приему этого кадра сетевой адаптер через кабель подает пробуждающий сигнал РМЕ на системную плату, которая дает сигнал на включение блока питания; компьютер включается и загружается ОС с поддержкой DMI. Теперь администратор может выполнить все запланированные действия, а по окончании ОС на компьютере, завершая свою работу, выключает питание.
Адаптеры для серверов должны иметь высокопроизводительную шину - сейчас используют PCI 32/64 бит 33/66 МГц, раньше в серверах часто применяли шину EISA или МСА. Для серверных карт критична загрузка ЦП при обмене данными, поэтому эти карты наделяют интеллектом для прямого управления шиной и параллельной работы узлов адаптера. Полнодуплексные адаптеры должны поддерживать управление потоком по 802.3х. Ряд совершенных моделей поддерживают приоритизацию трафика по 802. 1р, фильтрацию многоадресного трафика, поддержку ВЛС с маркированными кадрами (tagged VLAN), Fast IP, аппаратный подсчет контрольных сумм IP-пакетов. Поддержка ВЛС позволяет серверу, подключенному одной линией к коммутатору, быть членом нескольких ВЛС, определенных на всей локальной сети. Для повышения надежности серверные карты могут поддерживать резервирование линий (Resilient Link) - резервный адаптер и линия связи заменяют основной канал в случае его отказа. При этом резервному адаптеру присваивается МАС-адрес основного, чтобы сеть «не заметила» подмены. Резервирование линий должно поддерживаться программными драйверами, чтобы замена происходила прозрачно и для серверных приложений. «Самоизлечивающиеся» драйверы (Self-Healing Drivers) в случае обнаружения проблем функционирования («зависании») могут автоматически выполнить сброс и повторную инициализацию адаптера. Удаленная загрузка и пробуждение по сети серверам, как правило, не требуется. Адаптеры (совместно с драйверами) могут поддерживать SNMP и RMON. Для серверов выпускаются и многопортовые (как правило, на 4 порта) адаптеры, конфигурируемые как для раздельного независимого использования, так и для резервирования друг друга. Такие карты позволяют экономить слоты PCI (для шины EISA проблема экономии слотов не была острой). Типовая скорость для серверных карт на сегодняшний день - 100 Мбит/с, производительность Gigabit Ethernet может быть востребована лишь очень мощными серверами.
Адаптер может иметь один или несколько интерфейсных разъемов:
* BNC - коаксиальный разъем для подключения к сегменту сети 10Base2;
* AUI - розетка DB-15 для подключения внешних адаптеров (трансиверов) 10BaseS, 10Base2, 10BaseT, 10BaseF, FOIRL;
* RJ-45 - 8-контактное гнездо для подключения кабелем «витая пара» к концентратору (хабу или коммутатору) 10BaseT, 100BaseTX и/или 100BaseT4;
* SC (пара, иногда ST - оптические разъемы для подключения к концентраторам 100BaseFX, 1000BaseSX, 1000BaseLX.
Для 10-мегабитных адаптеров характерны сочетания BNC+AUI или RJ-45+AUI, наиболее универсальные «Combo» имеют полный 10-мегабитный набор BNC/AUI/ RJ 45. Первые модели карт на 10 и 100 Мбит/с имели пару разъемов RJ-45 - каждый для своей скорости. При наличии нескольких разных разъемов (например, BNC и RJ-45) одновременно они не используются - адаптер не может работать в качестве повторителя. Большинство современных адаптеров имеют один разъем RJ-45 и поддерживают два стандарта - 10BaseT и 100BaseTX. Многопортовые серверные карты имеют несколько независимых адаптеров, каждый со своим интерфейсом.
Интерфейсные карты потребляют системные ресурсы компьютера.
* Пространство ввода-вывода - как правило, 4-32 смежных адреса из области, адресуемой 10-битным (для шины ISA) или 16-битным (EISA, PCI) адресом. Используется для обращения к регистрам адаптера при инициализации, текущем управлении, опросе состояния и передаче данных.
* Запрос прерывания - одна линия (IRQ3, 5, 7, 9, 10, 11, 12 или 15), возбуждаемая по приему кадра, адресованного данному узлу, а также по окончании передачи кадра (успешной или безуспешной из-за коллизий). Без прерываний сетевые карты работать не могут, при некорректном назначении обращения к сети «зависают».
* Канал прямого доступа к памяти (DMA) используется в некоторых картах ISA/EISA; для прямого управления (bus mastering) шины ISA пригодны только 16-битные каналы 5-7.
* Разделяемая память (adapter RAM) адаптера - буфер для передаваемых и принимаемых кадров - для карт ISA обычно приписывается к области верхней памяти (UMA), лежащей в диапазоне Ah-Fh. Карты PCI могут располагаться в любом месте адресного пространства, не занятого оперативной памятью компьютера. Разделяемую память используют не все модели карт.
* Постоянная память (adapter ROM) - область адресов для модулей расширения ROM BIOS, 4/8/16/32 Кбайт в диапазоне CDFh. Используется для установки ПЗУ удаленной загрузки (Boot ROM) и антивирусной защиты.
Под конфигурированием адаптера подразумевается настройка на использование системных ресурсов PC и выбор среды передачи. Конфигурирование, в зависимости от модели карты, может осуществляться разными способами.
* С помощью переключателей (джамперов), установленных на карте. Используется на адаптерах первых поколений шины ISA. Для выбора каждого ресурса, а также среды передачи имеется свой блок джамперов.
* С помощью энергонезависимой памяти конфигурации (NVRAM, EEPROM), установленной на карте с шиной ISA. Эти карты не имеют джамперов (jumperless), но конфигурируются вручную. Для конфигурирования требуется специальная утилита, специфическая для конкретной модели (семейства) карт.
* С помощью энергонезависимой памяти конфигурации, установленной на карте с шиной EISA или МСА, и системной памяти конфигурирования устройств (ESCD для EISA). Конфигурирование ресурсов осуществляется пользователем с помощью системной утилиты ECU (EISA Configuration Utility) для шины EISA.
* Автоматическое - РnР для шин ISA и PCI. Распределение ресурсов осуществляется на этапе загрузки ОС.
Выбор среды и скорости передачи может быть ручным (программным) или автоматическим. В ряде случаев имеет смысл делать явные назначения, чтобы избегать сюрпризов излишней автоматизации. Эти сюрпризы, как правило, порождаются недостаточной согласованностью адаптеров и их драйверов. При этом драйвер не может правильно распознать установленный режим и воспользоваться его преимуществами. Автоматическая настройка вносит дополнительные задержки в процесс инициализации (при загрузке) и не со всяким сетевым оборудованием работает корректно. Для некоторых моделей карт с интерфейсом 10Base2 (BNC-разъем) предлагается расширенный режим, увеличивающий дальность связи до 305 м против штатных 185. При необходимости длинных сегментов этим режимом можно воспользоваться, но при условии, что он имеется и включен во всех картах данного сегмента. В утилитах конфигурирования могут предлагаться и дополнительные настройки - оптимизация для клиента или сервера, поддержка модема и некоторые другие. Их установка должна соответствовать конкретному применению.

Стандарты Ethernet определяют проводные соединения и электрические сигналы на физическом уровне, формат
кадров и протоколы управления доступом к среде - на канальном уровне модели OSI. Ethernet в основном
описывается стандартами IEEE группы 802.3. Ethernet стал самой распространённой технологией ЛВС в середине
90-х годов прошлого века, вытеснив такие устаревшие технологии, как Arcnet, FDDI и Token ring.

История создания

Технология Ethernet была разработана вместе со многими первыми проектами корпорации Xerox PARC.
Общепринято считать, что Ethernet был изобретён 22 мая 1973 года, когда Роберт Меткалф (Robert Metcalfe)
составил докладную записку для главы PARC о потенциале технологии Ethernet. Но законное право на
технологию Меткалф получил через несколько лет. В 1976 году он и его ассистент Дэвид Боггс (David Boggs)
издали брошюру под названием «Ethernet: Distributed Packet-Switching For Local Computer Networks».

Меткалф ушёл из Xerox в 1979 году и основал компанию 3Com для продвижения компьютеров и локальных
вычислительных сетей (ЛВС). Ему удалось убедить DEC, Intel и Xerox работать совместно и разработать
стандарт Ethernet (DIX). Впервые этот стандарт был опубликован 30 сентября 1980 года. Он начал
соперничество с двумя крупными запатентованными технологиями: token ring и ARCNET, - которые вскоре были
похоронены под накатывающимися волнами продукции Ethernet. В процессе борьбы 3Com стала основной компанией
в этой отрасли.

Технология

В стандарте первых версий (Ethernet v1.0 и Ethernet v2.0) указано, что в качестве передающей среды
используется коаксиальный кабель, в дальнейшем появилась возможность использовать витую пару и оптический
кабель.

Причинами перехода на были:

возможность работы в дуплексном режиме;
низкая стоимость кабеля «витой пары»;
более высокая надёжность сетей при неисправности в кабеле;
большая помехозащищенность при использовании дифференциального сигнала;
возможность питания по кабелю маломощных узлов, например IP-телефонов (стандарт Power over Ethernet, POE);
отсутствие гальванической связи (прохождения тока) между узлами сети. При использовании коаксиального кабеля в российских условиях, где, как правило, отсутствует заземление компьютеров, применение коаксиального кабеля часто сопровождалось пробоем сетевых карт, и иногда даже полным «выгоранием» системного блока.

Причиной перехода на оптический кабель была необходимость увеличить длину сегмента без повторителей.

Метод управления доступом (для сети на ) - множественный доступ с контролем несущей и
обнаружением коллизий (CSMA/CD, Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), скорость передачи
данных 10 Мбит/с, размер пакета от 72 до 1526 байт, описаны методы кодирования данных. Режим работы
полудуплексный, то есть узел не может одновременно передавать и принимать информацию. Количество узлов в
одном разделяемом сегменте сети ограничено предельным значением в 1024 рабочих станции (спецификации
физического уровня могут устанавливать более жёсткие ограничения, например, к сегменту тонкого коаксиала
может подключаться не более 30 рабочих станций, а к сегменту толстого коаксиала - не более 100). Однако
сеть, построенная на одном разделяемом сегменте, становится неэффективной задолго до достижения
предельного значения количества узлов, в основном по причине полудуплексного режима работы.

В 1995 году принят стандарт IEEE 802.3u Fast Ethernet со скоростью 100 Мбит/с и появилась возможность
работы в режиме полный дуплекс. В 1997 году был принят стандарт IEEE 802.3z Gigabit Ethernet со скоростью
1000 Мбит/с для передачи по оптическому волокну и ещё через два года для передачи по витой паре.

Разновидности Ethernet

В зависимости от скорости передачи данных и передающей среды существует несколько вариантов технологии.
Независимо от способа передачи стек сетевого протокола и программы работают одинаково практически во
всех ниже перечисленных вариантах.

Большинство Ethernet-карт и других устройств имеет поддержку нескольких скоростей передачи данных,
используя автоопределение (autonegotiation) скорости и дуплексности, для достижения наилучшего
соединения между двумя устройствами. Если автоопределение не срабатывает, скорость подстраивается под
партнёра, и включается режим полудуплексной передачи. Например, наличие в устройстве порта Ethernet
10/100 говорит о том, что через него можно работать по технологиям 10BASE-T и 100BASE-TX, а порт
Ethernet 10/100/1000 - поддерживает стандарты 10BASE-T, 100BASE-TX и 1000BASE-T.
Ранние модификации Ethernet

Xerox Ethernet - оригинальная технология, скорость 3Мбит/с, существовала в двух вариантах Version 1 и Version 2, формат кадра последней версии до сих пор имеет широкое применение.
10BROAD36 - широкого распространения не получил. Один из первых стандартов, позволяющий работать на больших расстояниях. Использовал технологию широкополосной модуляции, похожей на ту, что используется
в кабельных модемах. В качестве среды передачи данных использовался коаксиальный кабель.
1BASE5 - также известный, как StarLAN, стал первой модификацией Ethernet-технологии, использующей витую пару. Работал на скорости 1 Мбит/с, но не нашёл коммерческого применения.

10 Мбит/с Ethernet

10BASE5, IEEE 802.3 (называемый также «Толстый Ethernet») - первоначальная разработка технологии со скоростью передачи данных 10 Мбит/с. Следуя раннему стандарту IEEE использует коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50 Ом (RG-8), с максимальной длиной сегмента 500 метров.
10BASE2, IEEE 802.3a (называемый «Тонкий Ethernet») - используется кабель RG-58, с максимальной длиной сегмента 185 метров, компьютеры присоединялись один к другому, для подключения кабеля к сетевой
карте нужен T-коннектор, а на кабеле должен быть BNC-коннектор. Требуется наличие терминаторов на каждом
конце. Многие годы этот стандарт был основным для технологии Ethernet.
StarLAN 10 - Первая разработка, использующая витую пару для передачи данных на скорости 10 Мбит/с.

В дальнейшем эволюционировал в стандарт 10BASE-T.

Несмотря на то, что теоретически возможно подключение к одному кабелю (сегменту) витой пары более чем
двух устройств, работающих в симплексном режиме, такая схема никогда не применяется для Ethernet, в
отличие от работы с . Поэтому, все сети на витой паре используют топологию «звезда»,
в то время как, сети на коаксиальном кабеле построены на топологии «шина». Терминаторы для работы по
витой паре встроены в каждое устройство, и применять дополнительные внешние терминаторы в линии не нужно.

10BASE-T, IEEE 802.3i - для передачи данных используется 4 провода кабеля витой пары (две скрученные пары) категории-3 или категории-5. Максимальная длина сегмента 100 метров.
FOIRL - (акроним от англ. Fiber-optic inter-repeater link). Базовый стандарт для технологии Ethernet, использующий для передачи данных оптический кабель. Максимальное расстояние передачи данных без повторителя 1 км.
10BASE-F, IEEE 802.3j - Основной термин для обозначения семейства 10 Мбит/с ethernet-стандартов, использующих оптический кабель на расстоянии до 2 километров: 10BASE-FL, 10BASE-FB и 10BASE-FP. Из перечисленного только 10BASE-FL получил широкое распространение.
10BASE-FL (Fiber Link) - Улучшенная версия стандарта FOIRL. Улучшение коснулось увеличения длины сегмента до 2 км.
10BASE-FB (Fiber Backbone) - Сейчас неиспользуемый стандарт, предназначался для объединения повторителей в магистраль.
10BASE-FP (Fiber Passive)- Топология «пассивная звезда», в которой не нужны повторители - никогдане применялся.

Быстрый Ethernet (Fast Ethernet, 100 Мбит/с)

100BASE-T - общий термин для обозначения стандартов, использующих в качестве среды передачи данных . Длина сегмента до 100 метров. Включает в себя стандарты 100BASE-TX, 100BASE-T4 и 100BASE-T2.
100BASE-TX, IEEE 802.3u - развитие стандарта 10BASE-T для использования в сетях топологии «звезда». Задействована витая пара категории 5, фактически используются только две неэкранированные пары проводников, поддерживается дуплексная передача данных, расстояние до 100 м.
100BASE-T4 - стандарт, использующий витую пару категории 3. Задействованы все четыре пары проводников, передача данных идёт в полудуплексе. Практически не используется.
100BASE-T2 - стандарт, использующий витую пару категории 3. Задействованы только две пары проводников. Поддерживается полный дуплекс, когда сигналы распространяются в противоположных направлениях по каждой паре. Скорость передачи в одном направлении - 50 Мбит/с. Практически не используется.
100BASE-SX - стандарт, использующий многомодовое волокно. Максимальная длина сегмента 400 метров в полудуплексе (для гарантированного обнаружения коллизий) или 2 километра в полном дуплексе.
100BASE-FX - стандарт, использующий одномодовое волокно. Максимальная длина ограничена только
величиной затухания в оптическом кабеле и мощностью передатчиков, по разным материалам от 2х до 10
километров
100BASE-FX WDM - стандарт, использующий одномодовое волокно. Максимальная длина ограничена только
величиной затухания в волоконно-оптическом кабеле и мощностью передатчиков. Интерфейсы бывают двух
видов, отличаются длиной волны передатчика и маркируются либо цифрами (длина волны) либо одной латинской
буквой A(1310) или B(1550). В паре могут работать только парные интерфейсы: с одной стороны передатчик
на 1310 нм, а с другой - на 1550 нм.

Гигабитный Ethernet (Gigabit Ethernet, 1 Гбит/с)

1000BASE-T, IEEE 802.3ab - стандарт, использующий витую пару категорий 5e. В передаче данных участвуют 4 пары. Скорость передачи данных - 250 Мбит/с по одной паре. Используется метод кодирования PAM5, частота основной гармоники 62,5 МГц. Расстояние до 100 метров
1000BASE-TX был создан Ассоциацией Телекоммуникационной Промышленности (англ. Telecommunications
Industry Association, TIA) и опубликован в марте 2001 года как «Спецификация физического уровня
дуплексного Ethernet 1000 Мб/с (1000BASE-TX) симметричных кабельных систем категории 6
(ANSI/TIA/EIA-854-2001)» (англ. «A Full Duplex Ethernet Specification for 1000 Mbis/s (1000BASE-TX)
Operating Over Category 6 Balanced Twisted-Pair Cabling (ANSI/TIA/EIA-854-2001)»). Стандарт, использует
раздельную приёмо-передачу (по одной паре в каждом направлении), что существенно упрощает конструкцию
приёмопередающих устройств. Ещё одним существенным отличием 1000BASE-TX является отсутствие схемы
цифровой компенсации наводок и возвратных помех, в результате чего сложность, уровень энергопотребления
и цена процессоров становится ниже, чем у процессоров стандарта 1000BASE-T. Но, как следствие, для
стабильной работы по такой технологии требуется кабельная система высокого качества, поэтому 1000BASE-TX
может использовать только кабель 6 категории. На основе данного стандарта практически не было создано
продуктов, хотя 1000BASE-TX использует более простой протокол, чем стандарт 1000BASE-T, и поэтому может
использовать более простую электронику.
1000BASE-X - общий термин для обозначения стандартов со сменными приёмопередатчиками GBIC или SFP.
1000BASE-SX, IEEE 802.3z - стандарт, использующий многомодовое волокно. Дальность прохождения
сигнала без повторителя до 550 метров.
1000BASE-LX, IEEE 802.3z - стандарт, использующий одномодовое волокно. Дальность прохождения
сигнала без повторителя до 5 километров.
используется.
1000BASE-CX - стандарт для коротких расстояний (до 25 метров), использующий твинаксиальный кабель
с волновым сопротивлением 75 Ом (каждый из двух волноводов). Заменён стандартом 1000BASE-T и сейчас не
используется.
1000BASE-LH (Long Haul) - стандарт, использующий одномодовое волокно. Дальность прохождения
сигнала без повторителя до 100 километров.

10-гигабитный Ethernet

Новый стандарт 10-гигабитного Ethernet включает в себя семь стандартов физической среды для LAN, MAN и
WAN. В настоящее время он описывается поправкой IEEE 802.3ae и должен войти в следующую ревизию
стандарта IEEE 802.3.

10GBASE-CX4 - Технология 10-гигабитного Ethernet для коротких расстояний (до 15 метров), используется медный кабель CX4 и коннекторы InfiniBand.
10GBASE-SR - Технология 10-гигабитного Ethernet для коротких расстояний (до 26 или 82 метров, в
зависимости от типа кабеля), используется многомодовое волокно. Он также поддерживает расстояния до 300
метров с использованием нового многомодового волокна (2000 МГц/км).
10GBASE-LX4 - использует уплотнение по длине волны для поддержки расстояний от 240 до 300 метров по многомодовому волокну. Также поддерживает расстояния до 10 километров при использовании одномодового
волокна.
10GBASE-LR и 10GBASE-ER - эти стандарты поддерживают расстояния до 10 и 40 километров
соответственно.
10GBASE-SW, 10GBASE-LW и 10GBASE-EW - Эти стандарты используют физический интерфейс, совместимый
по скорости и формату данных с интерфейсом OC-192 / STM-64 SONET/SDH. Они подобны стандартам 10GBASE-SR,
10GBASE-LR и 10GBASE-ER соответственно, так как используют те же самые типы кабелей и расстояния передачи.
10GBASE-T, IEEE 802.3an-2006 - принят в июне 2006 года после 4 лет разработки. Использует
экранированную витую пару. Расстояния - до 100 метров.

Технология Ethernet позволяет использовать различные среды передачи, для каждой из которой имеется стандартное название вида XBaseY , где X - скорость передачи, Мбит/с (10, 100, 1000…); Base - ключевое слово (обозначает смодулированную передачу); Y - условное обозначение среды передачи и дальности связи. Все современные версии Ethernet используют кабель «витая пара» или оптоволоконный и звездообразную топологию. Центральным устройством звезды может быть повторитель (он же хаб, hub) или коммутатор (switch). Возможно и двухточечное соединение двух узлов. Для старых версий на коаксиальном кабеле была характерна шинная топология, главным недостатком которой является низкая надежность всей сети. Есть и экзотический вариант пассивной оптической шины 10BaseFP. Иногда в сетях применяются конверторы среды передачи (media converter), преобразующие типы интерфейсов. Чаще всего используются конверторы «витой пары» в оптику, также применяют и конверторы одномодового оптоволокна в многомодовое.

Для Ethernet со скоростью 10 Мбит/с существуют следующие стандарты.

♦ 10Base5 - сеть на толстом коаксиальном кабеле RG-8 (50 Ом) с шинной топологией, максимальная длина кабельного сегмента - 500 м. Для подключения сетевой адаптер должен иметь интерфейс AUI, подключаемый кабелем-спуском (4 экранированные витые пары) к трансиверу, установленному на кабеле. В настоящее время для новых сетей не применяется (дорого, громоздко, неэффективно и бесперспективно).

♦ 10Base2 - сеть на тонком коаксиальном кабеле RG-58 (50 Ом) с шинной топологией, максимальная длина кабельного сегмента - 185 м. Для подключения сетевой адаптер должен иметь интерфейсный разъем BNC (или AUI с трансивером). Это самый дешевый (по оборудованию) вариант сети; перспектив на развитие нет.

♦ 10BaseT - сеть на витой паре категории 3 и выше (2 пары проводов), длина луча - до 100 м (на кабеле категории 5 можно достигать дальности и 200 м, но это не рекомендуется). Для подключения сетевой адаптер должен иметь интерфейсный разъем RJ-45 (или AUI с трансивером). Это эффективный вариант сети начального уровня, позволяет расширять полосу пропускания заменой концентраторов-повторителей на коммутаторы. При кабельной проводке категории 5 и выше позволяет переходить на скорости 100 и даже 1000 Мбит/с (с заменой карт и концентраторов).

♦ 10BaseF и FOIRL - сеть на оптоволоконном кабеле (пара волокон). Для подключения адаптер должен иметь интерфейс AUI, на который устанавливается оптический трансивер. Используются дешевые многомодовые трансиверы (длина волны - 850 нм) с дальностью до 1 км. Для дальних дистанций (десятки км на одномодовом волокне) используются одномодовые трансиверы (1310 нм), которые могут работать и с многомодовым волокном (до 2 км).

Для сетей Fast Ethernet со скоростью 100 Мбит/с существуют следующие стандарты.

♦ 100BaseTX - сеть на витой паре категории 5 и выше (2 пары проводов), длина луча - до 100 м. Сетевой адаптер подключается через разъем RJ-45. Это популярный и оптимальный (цена/производительность) вариант подключения узлов к сети. При качественной кабельной проводке позволяет переходить на скорость 1000 Мбит/с (с заменой карт и концентраторов).

♦ 100BaseT4 - сеть на витой паре категории 3 и выше (4 пары проводов), длина луча - до 100 м. Разъем RJ-45, вариант малораспространенный.

♦ 100BaseFX - сеть на оптоволоконном кабеле (пара волокон). Используются одномодовые трансиверы (1310 нм), которые могут работать и с многомодовым волокном (до 2 км). Дальность в полнодуплексном режиме - десятки км.

♦ 100BaseSX - сеть на оптоволоконном кабеле с дешевыми многомодовыми трансиверами (850 нм), дальность - до 300 м. Совместима с 10BaseF, поддерживается автосогласование режима и скорости (10/100).

Для сетей Gigabit Ethernet со скоростью 1000 Мбит/с существуют следующие стандарты.

♦ 1000BaseCX - соединение активного оборудования коротким (до 25 м) кабелем STP или двухосевым кабелем.

♦ 1000BaseT - соединение витой парой категории 5 и выше (4 пары) на расстояние до 100 м. Разъемы RJ-45.

♦ 1000BaseSX - соединение по паре многомодовых волокон, дальность - 200–500 м (в зависимости от параметров волокна).

♦ 1000BaseLX - соединение по паре одномодовых волокон, дальность - до 50 км (в зависимости от параметров трансиверов).

Выше были приведены ограничения на длину каждого физического соединения в сети, однако для работоспособности (надежной работы протокола разрешения коллизий) должны выполняться и дополнительные условия, подробно описанные в литературе . Задача уменьшения диаметра домена коллизий решается применением коммутаторов, а преодоление коллизионных ограничений на длину каждого соединения обеспечивается переходом на полнодуплексный режим связи (в котором коллизий нет как таковых). Для 10-Мбитных сетей Ethernet должны соблюдаться перечисленные ниже условия.

♦ Для коаксиала - правило «5-4-3»: не более 5 сегментов могут соединять не более 4 повторителей, станции (адаптеры) можно подключать не более чем в 3 сегментах.

♦ Для витой пары (и оптики) - между любой парой узлов может быть не более 4 повторителей (хабов).

♦ Для любых сетей: диаметр домена коллизий - самое большое расстояние («электрическая» длина кабелей между парой узлов) - не должен превышать 5 км.

♦ Число узлов в домене коллизий - не более 1024 (реально их не должно быть более 30–50).

Для сетей Fast Ethernet ограничения жестче.

♦ Диаметр домена коллизий - не более 205 м.

♦ Число повторителей в домене коллизий - не более двух класса II, не более одного класса I.

В Gigabit Ethernet применяются только коммутаторы, так что действуют только ограничения на длину соединений.

Для оптических соединений применяемые разъемы разнообразны: ST, SC, MT-RJ и другие. Коаксиальные разъемы для «толстого» и «тонкого» кабелей различны (серии «N» и BNC соответственно). Отметим, что каждый сегмент коаксиала должен оканчиваться терминаторами 50 Ом и быть заземлен в одной точке. «Схемная земля» компьютера не имеет гальванической связи с экраном коаксиального разъема, так что следует избегать случайного касания BNC-разъемов с металлическими частями, связанными с шасси компьютера. Сети на коаксиале требуют правильного заземления, нарушение правил чревато выгоранием адаптеров.

Для витой пары применяются разъемы RJ-45 (рис. 10.1), назначение контактов разъема сетевого адаптера (порт MDI) приведено в табл. 10.1. Порты концентраторов 10BaseT, 100BaseTX и 100BaseT4 имеют тип MDIX, у них сигналы TX и RX поменяны местами. Для подключения конечных узлов к портам активного оборудования (соединение портов MDI-MDIX, рис. 10.2, а ) используется «прямой» кабель (рис. 10.3, а ), для непосредственного соединения адаптеров (MDI-MDI, рис. 10.2, б ) или соединения двух коммуникационных устройств (MDIX-MDIX) применяют «перекрестный» кабель (рис. 10.3, б ). В коммуникационных устройствах, как правило, один из портов снабжают переключателем MDI-MDIX или дополнительным разъемом.

Рис. 10.1 . Разъем RJ-45: a - вилка, б - розетка

Таблица 10.1 . Разъем RJ-45 адаптера Ethernet

Рис. 10.2 . Сеть 10BaseT/100BaseTX: а - звезда, б - двухточечное соединение

Рис. 10.3 . Интерфейсные кабели Ethernet: а - «прямой», б - «перекрестный»

В локальных сетях обычно используется кабельная проводка, состоящая из стационарных кабелей, оканчивающихся розетками, и коммутационных шнуров. Стационарную проводку выполняют так, что она обеспечивает «прямое» соединение контактов своих интерфейсных разъемов. Коммутационные шнуры могут быть как «прямыми», так и «перекрестными». Заметим, что связи контактов 4, 5, 7 и 8 требуются только в 100BaseT4 и 1000BaseTX, но для 10BaseT и 100BaseTX они не мешают, так что кабельное хозяйство едино.

В Gigabit Ethernet 1000BaseTX применяются только «прямые» кабели. Универсальные порты совместимы с Fast Ethernet (поддерживают автосогласование). Если два порта Gigabit Ethernet соединить «перекрестным» кабелем, они свяжутся в режиме 100BaseTX.

Для приведенных выше реализаций Ethernet на витой паре предусмотрен протокол согласования режимов (autonegotiation), который исполняется каждый раз при установлении соединения после физического подключения и (или) инициализации портов. Протокол основан на обмене служебными импульсами (они отличны от кадров передаваемой информации). Этот протокол позволяет соединяемым портам выбрать самый эффективный из режимов, доступных обоим портам. Приоритеты режимов в порядке убывания: 1000BaseT, 100BaseTX полнодуплексный, 100BaseT4, 100BaseTX полудуплексный, 10BaseT полнодуплексный, 10BaseT полудуплексный. Протокол автоматического согласования может быть отключен (или не реализован), в этом случае режим работы задается принудительно при конфигурировании порта. Возможность переключения режимов отражается в названиях портов (например, Fast Ethernet 10/100), поддержка режима 100BaseT4 встречается нечасто.

Для оптических вариантов тоже появился протокол согласования, но его возможности ограничиваются из-за вероятного несовпадения длин волн, используемых в разных вариантах. Правда, здесь автосогласование не так уж и необходимо, поскольку оптических соединений гораздо меньше, их тщательно планируют и не так уж часто реконфигурируют.

В стандарте Ethernet (10 Мбит/с) определен интерфейс AUI (Attachment Unit Interface - интерфейс устройства подключения), с помощью которого к адаптеру можно подключать трансивер (приемопередатчик) для любой среды передачи. В трансивере располагаются оконечные цепи передатчика, приемника и детектор коллизий. Назначение контактов интерфейса AUI приведено в табл. 10.2, здесь используется разъём DB-15 (розетка на адаптере, вилка на трансивере).

Таблица 10.2 . Разъем AUI-интерфейса Ethernet

В стандарте на Fast Ethernet фигурирует интерфейс MII (Media Independent Interface - интерфейс, независимый от среды передачи). В MII данные для приемника и передатчика передаются в некодированном виде по 4-битным параллельным шинам (с частотой синхронизации 2,5 и 25 МГц для скоростей 10 и 100 Мбит соответственно) или в последовательном коде (для 10 Мбит/с). В интерфейсе имеются сигналы синхронизации и управления приемником и передатчиком, состояния линии (наличие несущей, коллизия), а также последовательный интерфейс управления SMI (см. п. 11.2), по которому можно общаться с управляющими регистрами трансивера. Определен и физический разъем для подключения сменных модулей (40-контактный двухрядный), но в ПК он практически не встречается.

Сетевые адаптеры

Сетевые адаптеры для PC выпускаются для шин ISA, EISA, MCA, VLB, PCI, PC Card. Существуют адаптеры, подключаемые к стандартному LPT-порту PC; их преимущество - отсутствие потребностей в системных ресурсах (порты, прерывания и т. п.) и легкость подключения (без вскрытия компьютеров), недостаток - при обмене они значительно загружают процессор и не обеспечивают высокой скорости передачи («потолок» - 10 Мбит/с). Есть адаптеры и для шины USB. Сетевые адаптеры интегрируются и в некоторые модели системных плат.

Эффективная скорость обмена данными по сети очень сильно зависит от архитектуры сетевых адаптеров и, при прочих равных условиях, от скорости передачи данных между локальной памятью адаптера и системной памятью компьютера, а также от возможности параллельного выполнения нескольких операций. В качестве «средств доставки» используются каналы прямого доступа к памяти (DMA), программный ввод-вывод (PIO), прямое управление шиной. Стандартные 8-битные каналы прямого доступа шины ISA способны развивать скорость до 2 Мбайт/с, 16-битные - до 4 Мбайт/с. Кадр максимальной длины (1514 байт) они передают примерно за 1,3 или 2,6 мс соответственно. По сравнению с 12 мс, требуемыми для передачи кадра в среде Ethernet, это время относительно невелико. Однако для Fast Ethernet, где тот же кадр в среде передается за 1,2 мс, такая транспортировка оказывается слишком медленной. Более высокую скорость обмена с буфером адаптера обеспечивает режим программного ввода-вывода (PIO), но он полностью загружает центральный процессор на время передачи. Более эффективны интеллектуальные адаптеры с прямым управлением шиной (bus mastering) ISA/EISA, сочетающие относительно высокую скорость (до 8 Мбайт/с ISA 16 бит и до 33 Мбайт/с EISA). Однако для скорости 100 Мбит/с производительности шины ISA уже недостаточно. На сегодняшний день широко применяются адаптеры шины PCI, где для 32-разрядного интерфейса при частоте 33 МГц пропускная способность достигает 132 Мбайт/с. Но для технологии Gigabit Ethernet и этого только-только хватает, правда, у PCI есть резервы: переход на частоту 66 МГц и разрядность 64 бит, что позволяют далеко не все системные платы. Особенно эффективны активные адаптеры, имеющие собственный процессор, для шины PCI. Они выполняют передачи на полной скорости PCI, практически не загружая центральный процессор. Это свойство особенно важно для серверов. Параллельное выполнение операций подразумевает поддержку полного дуплекса - полную независимость принимающей и передающей частей, а также возможность одновременного выполнения приема кадра в буфер, передачи другого кадра и обмена данными между буферной памятью адаптера и системной памятью компьютера. На производительность адаптера для ISA/EISA влияет и объем буферной памяти: при ограниченной (по сравнению со скоростью в линии) пропускной способности шины применяют буферную память объемом до 64 Кбайт, которую делят между передатчиком и приемником либо поровну, либо с преимуществом для передатчика. Для шины PCI при эффективных средствах доставки (интеллектуальное прямое управление шиной) для скорости 100 Мбит/с большой буфер не нужен - достаточно по 2 Кбайт на приемник и передатчик. Однако адаптеры Gigabit Ethernet опять снабжают буфером значительного размера (256 Кбайт).

Адаптеры можно разделить на две группы - адаптеры для рабочих станций и адаптеры для серверов. Деление условно - адаптеры для рабочих станций могут иметь черты, относящиеся к серверным. Использовать простые карты в серверах не стоит - они могут стать узким местом сети и «пожирателями» ресурсов ЦП.

Адаптеры для рабочих станций проще и дешевле - для них не требуется (пока?) скорости выше 100 Мбит/с, полный дуплекс встречается редко, к использованию процессорного времени особо жестких требований не предъявляют. Долгие годы широко применяются адаптеры, программно совместимые с картами NE2000 - 16-битными неинтеллектуальными картами для шины ISA разработки Novell-Eagle. Совместимость с этой моделью имеют и ряд карт для шины PCI. Наиболее удобны и популярны двухскоростные карты 10/100 Мбит/с - для их подключения в современных сетях легко найти оптимальное место. Карты обычно имеют колодку для установки Boot ROM, современные модели часто обеспечивают возможность «пробуждения» по сети (remote wake up), поддерживают интерфейс DMI и ACPI. Для этого они имеют специальный дополнительный 3-проводный интерфейс - кабель с коннектором, подключаемый к системной плате. По этому кабелю системная плата с питанием в стандарте АТХ подает дежурное напряжение (линия +5VSB), даже когда основное питание на системную плату и все устройства не подается. От этой линии питается «дежурная» принимающая схема, которая настроена на прием кадра специфического формата (Magic Packet) no сетевому интерфейсу. По приему этого кадра сетевой адаптер через кабель подает пробуждающий сигнал РМЕ на системную плату, которая дает сигнал на включение блока питания; компьютер включается и загружается ОС с поддержкой DMI. Теперь администратор может выполнить все запланированные действия, а по окончании ОС на компьютере, завершая свою работу, выключает питание.

Адаптеры для серверов должны иметь высокопроизводительную шину - сейчас используют PCI32/64 бит 33/66 МГц, раньше в серверах часто применяли шину EISA или MCA. Для серверных карт критична загрузка ЦП при обмене данными, поэтому эти карты наделяют интеллектом для прямого управления шиной и параллельной работы узлов адаптера. Полнодуплексные адаптеры должны поддерживать управление потоком по 802.3х. Ряд совершенных моделей поддерживают приоритизацию трафика по 802.1р, фильтрацию многоадресного трафика, поддержку ВЛС с маркированными кадрами (tagged VLAN), Fast IP, аппаратный подсчет контрольных сумм IP-пакетов. Поддержка ВЛС позволяет серверу, подключенному одной линией к коммутатору, быть членом нескольких ВЛС, определенных на всей локальной сети. Для повышения надежности серверные карты могут поддерживать резервирование линий (Resilient Link) - резервный адаптер и линия связи заменяют основной канал в случае его отказа. При этом резервному адаптеру присваивается MAC-адрес основного, чтобы сеть «не заметила» подмены. Резервирование линий должно поддерживаться программными драйверами, чтобы замена происходила прозрачно и для серверных приложений. «Самоизлечивающиеся» драйверы (Self-Healing Drivers) в случае обнаружения проблем функционирования («зависании») могут автоматически выполнить сброс и повторную инициализацию адаптера. Удаленная загрузка и пробуждение по сети серверам, как правило, не требуется. Адаптеры (совместно с драйверами) могут поддерживать SNMP и RMON. Для серверов выпускаются и многопортовые (как правило, на 4 порта) адаптеры, конфигурируемые как для раздельного независимого использования, так и для резервирования друг друга. Такие карты позволяют экономить слоты PCI (для шины EISA проблема экономии слотов не была острой). Типовая скорость для серверных карт на сегодняшний день - 100 Мбит/с, производительность Gigabit Ethernet может быть востребована лишь очень мощными серверами.

Адаптер может иметь один или несколько интерфейсных разъемов:

♦ BNC - коаксиальный разъем для подключения к сегменту сети 10Base2;

♦ AUI - розетка DB-15 для подключения внешних адаптеров (трансиверов) 10Base5, 10Base2, 10BaseT, 10BaseF, FOIRL;

♦ RJ-45 - 8-контактное гнездо для подключения кабелем «витая пара» к концентратору (хабу или коммутатору) 10BaseT, 100BaseTX и/или 100BaseT4;

♦ SC (пара), иногда ST - оптические разъемы для подключения к концентраторам 100BaseFX, 1000BaseSX, 1000BaseLX.

Для 10-мегабитных адаптеров характерны сочетания BNC+AUI или RJ-45+AUI, наиболее универсальные «Combo» имеют полный 10-мегабитный набор BNC/AUI/RJ-45. Первые модели карт на 10 и 100 Мбит/с имели пару разъемов RJ-45 - каждый для своей скорости. При наличии нескольких разных разъемов (например, BNC и RJ-45) одновременно они не используются - адаптер не может работать в качестве повторителя. Большинство современных адаптеров имеют один разъем RJ-45 и поддерживают два стандарта - 10BaseT и 100BaseTX. Многопортовые серверные карты имеют несколько независимых адаптеров, каждый со своим интерфейсом.

Интерфейсные карты потребляют системные ресурсы компьютера.

♦ Пространство ввода-вывода - как правило, 4-32 смежных адреса из области, адресуемой 10-битным (для шины ISA) или 16-битным (EISA, PCI) адресом. Используется для обращения к регистрам адаптера при инициализации, текущем управлении, опросе состояния и передаче данных.

♦ Запрос прерывания - одна линия (IRQ3, 5, 7, 9, 10, 11, 12 или 15), возбуждаемая по приему кадра, адресованного данному узлу, а также по окончании передачи кадра (успешной или безуспешной из-за коллизий). Без прерываний сетевые карты работать не могут, при некорректном назначении обращения к сети «зависают».

♦ Канал прямого доступа к памяти (DMA) используется в некоторых картах ISA/EISA; для прямого управления (bus mastering) шины ISA пригодны только 16-битные каналы 5–7.

♦ Разделяемая память (adapter RAM) адаптера - буфер для передаваемых и принимаемых кадров - для карт ISA обычно приписывается к области верхней памяти (UMA), лежащей в диапазоне A0000h-FFFFFh. Карты PCI могут располагаться в любом месте адресного пространства, не занятого оперативной памятью компьютера. Разделяемую память используют не все модели карт.

♦ Постоянная память (adapter ROM) - область адресов для модулей расширения ROM BIOS, 4/8/16/32 Кбайт в диапазоне C0000-DFFFFh. Используется для установки ПЗУ удаленной загрузки (Boot ROM) и антивирусной защиты.

Под конфигурированием адаптера подразумевается настройка на использование системных ресурсов PC и выбор среды передачи. Конфигурирование, в зависимости от модели карты, может осуществляться разными способами.

♦ С помощью переключателей (джамперов), установленных на карте. Используется на адаптерах первых поколений шины ISA. Для выбора каждого ресурса, а также среды передачи имеется свой блок джамперов.

♦ С помощью энергонезависимой памяти конфигурации (NVRAM, EEPROM), установленной на карте с шиной ISA. Эти карты не имеют джамперов (jumperless), но конфигурируются вручную. Для конфигурирования требуется специальная утилита, специфическая для конкретной модели (семейства) карт.

♦ С помощью энергонезависимой памяти конфигурации, установленной на карте с шиной EISA или MCA, и системной памяти конфигурирования устройств (ESCD для EISA). Конфигурирование ресурсов осуществляется пользователем с помощью системной утилиты ECU (EISA Configuration Utility) для шины EISA.

♦ Автоматическое - PnP для шин ISA и PCI. Распределение ресурсов осуществляется на этапе загрузки ОС.

Выбор среды и скорости передачи может быть ручным (программным) или автоматическим. В ряде случаев имеет смысл делать явные назначения, чтобы избегать сюрпризов излишней автоматизации. Эти сюрпризы, как правило, порождаются недостаточной согласованностью адаптеров и их драйверов. При этом драйвер не может правильно распознать установленный режим и воспользоваться его преимуществами. Автоматическая настройка вносит дополнительные задержки в процесс инициализации (при загрузке) и не со всяким сетевым оборудованием работает корректно. Для некоторых моделей карт с интерфейсом 10Base2 (BNC-разъем) предлагается расширенный режим, увеличивающий дальность связи до 305 м против штатных 185. При необходимости длинных сегментов этим режимом можно воспользоваться, но при условии, что он имеется и включен во всех картах данного сегмента. В утилитах конфигурирования могут предлагаться и дополнительные настройки - оптимизация для клиента или сервера, поддержка модема и некоторые другие. Их установка должна соответствовать конкретному применению.

Что такое Ethernet

Ethernet – это наиболее распространённая технология организации локальных сетей. Стандарты Ethernet описывают реализацию двух первых уровней модели OSI – проводные соединения и электрические сигналы (физический уровень), а так же форматы блоков данных и протоколы управления доступом к сети (канальный уровень). Начнём с идеи, лежащей в основе Ethernet. Название Ethernet произошло от двух английских слов – ether (эфир) и net (сеть). Ethernet использует концепцию общего эфира. Каждый ПК посылает данные в этот эфир и указывает, кому они адресованы. Данные могут дойти до всех ПК сети, но обрабатывает их только тот ПК, которому они предназначены. Остальные ПК чужие данные игнорируют. Такая работа аналогична эфиру радиостанций. Все радиостанции транслируют свои передачи в общее электромагнитное поле – радиоэфир. Ваш радиоприёмник получает электромагнитные сигналы всех станций. Но слушаете вы не всё сразу, а ту станцию, которая вам нужна.

История Ethernet

Ethernet был разработан в 70-х годах XX века в Xerox PARC (Xerox Palo Alto Research Center) – научно-исследовательском центре Xerox. Может показаться неожиданным, что ведущую сетевую технологию разработала компания по производству копировальной техники. Тем не менее, в Xerox PARC в 70-е годы были разработаны: лазерный принтер, концепция ноутбука, графический интерфейс (1973 год, за 12 лет до выхода Windows 1.0), принцип WYSIWYG и многое другое. Однако руководство Xerox проявляло интерес только к разработкам в области печати/сканирования/копирования. Поэтому сейчас многие изобретения Xerox PARC ассоциируются с совсем другими именами. Так что помните – изобретение классной вещи само по себе ничего не гарантирует. Убедить остальных в том, что она классная, и запустить её на рынок – не менее сложные задачи.

Вернёмся к сетям. В начале 80-х годов Ethernet проходит стандартизацию. Появляется группа стандартов IEEE 802.3, описывающая Ethernet и по сей день. Тут опять надо сделать лирическое отступление и поговорить немного про стандартизацию. Сейчас в мире существует много организаций, принимающих стандарты. Например, наш Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации выпускает государственные стандарты (ГОСТы). Название организации обычно отображается в названии стандарта. Так, упомянутую группу стандартов IEEE 802.3 разработал и принял IEEE – Институт инженеров по электротехнике и электронике (Institute of Electrical and Electronics Engineers). Силы закона стандарты сейчас не имеют, применять их или нет – личное дело каждого. Но, если стандарт принят авторитетной организацией (IEEE – очень авторитетная организация), и его уже поддержали ведущие производители (за спиной первых стандартов Ethernet стояли DEC, Intel и Xerox), то лучше стандарта придерживаться. Иначе оборудование будет не совместимо с упомянутыми организациями, и его никто не купит.

Стандарт, который разработали DEC, Intel и Xerox, реализовывал общий эфир в прямом смысле слова. Все компьютеры сети подключались к общему коаксиальному кабелю. Коаксиальный кабель (coaxial, от co - совместно и axis - ось, то есть «соосный») – это кабель из пары проводников – центрального провода и окружающего его металлического цилиндра – экрана. Промежуток между проводом и экраном заполнен изоляцией, снаружи кабель так же покрыт изолирующей оболочкой. Такой кабель используется, например, в телевизионных антеннах.

В ранних сетях Ethernet коаксиальный кабель являлся носителем общего электромагнитного эфира. ПК подключались к общему кабелю с помощью специальных коннекторов. Такая структура соединения называется шинной, а сам общий кабель называют «шина».

Каждый ПК отправлял в шину электрические сигналы, все остальные ПК их получали. Дальше ПК должен был определить, кому реально этот сигнал адресован, и, соответственно, свои сигналы обработать, а чужие – проигнорировать. Несмотря на то, что Ethernet на коаксиальном кабеле уже давно не используется, механизм адресации данных и концепция общего эфира сохранились без изменений.

MAC-адреса

Рассмотрим подробнее, как на канальном уровне Ethernet данные из общего эфира распределяются по адресатам. Начнём, собственно, с адресации. На канальном уровне обмен данными идёт между сетевыми интерфейсами (network interface), то есть теми компонентами оборудования, которые физически соединены с сетью. Как правило, одно устройство имеет один сетевой интерфейс, то есть одно физическое соединение. Однако бывают и устройства с несколькими интерфейсам, например, в ПК можно поставить несколько сетевых контроллеров (network interface controller, NIC) и каждый подсоединить к сети. Поэтому в общем случае не следует путать устройства и их сетевые интерфейсы.

Все интерфейсы в пределах сети имеют собственные уникальные идентификаторы – MAC-адреса (Media Access Control address, адрес управления доступом к носителю данных). В сетях Ethernet используются 48-битные MAC-адреса. Их принято записывать в 16-ричной форме, разделяя байты знаком: или -. Например, 00-18-F3-05-19-4F.

Как правило, производитель раз и навсегда записывает MAC-адрес в оборудование при его изготовлении, и поменять MAC-адрес нельзя. Уникальность адресов достигается следующим образом. Первые 3 байта адреса обозначают производителя устройства и называются уникальным идентификатором организации (Organizationally Unique Identifier, OUI). Назначаются они не произвольно, их выдаёт IEEE. Любая организация, решившая производить сетевые интерфейсы, регистрируется в IEEE и получает свой идентификатор, уникальность которого гарантирует IEEE. Список уже розданных идентификаторов можно просмотреть на сайте IEEE . Последние 3 байта MAC-адреса производитель назначает сам и за их уникальностью следит тоже сам. Таким образом, при соблюдении производителями стандартов, ни у каких двух сетевых интерфейсов в мире MAC-адреса не совпадают. Ключевое слово – при соблюдении стандартов. Технически возможно изготовить интерфейс с произвольным MAC-адресом. Однако ни к чему хорошему это не приведёт.

Как не трудно догадаться, MAC-адреса нужны не сами по себе. MAC-адреса позволяют указать, кому именно предназначены данные, отправленные в общий эфир. Реализовано это следующим образом.

Данные в эфир передаются не однородным потоком, а блоками. Блоки эти на канальном уровне принято называть кадрами (frame). Каждый кадр состоит из служебных и полезных данных. Служебные данные – это заголовок, в котором указаны MAC-адрес отправителя, MAC-адрес назначения, тип вышестоящего протокола и тому подобное, а так же контрольная сумма в конце кадра. В середине кадра идут полезные данные – собственно то, что передаётся по Ethernet.

Контрольная сумма позволяет проверить целостность кадра. Сумму считает отправитель и записывает в конец кадра. Получатель вновь считает сумму и сравнивает её с той, что записана в кадре. Если суммы совпали, то, скорее всего, данные в кадре при передаче не повредились. Если же сумма не совпала, то данные точно повредились. Понять по контрольной сумме, какая именно часть кадра повреждена, невозможно. Поэтому в случае несовпадения суммы весь кадр считается ошибочным. Это примерно как если бы мы что-нибудь, на пример уголь, перевозили по аварийной железной дороге. Сначала мы бы загрузили уголь в вагоны. Вагоны имеют собственный вес, бесполезный для нас, но без вагонов по железной дороге перемещаться нельзя. Каждый вагон либо успешно целиком доедет в пункт назначения, либо попадёт в аварию и не доедет. Не бывает так, чтобы полвагона доехало, а полвагона осталось на разбитых путях.

Если кадр пришёл с ошибкой, его необходимо передать заново. Чем больше размер кадра, тем больше данных придётся передавать повторно при каждой ошибке. Плюс, пока интерфейс передаёт один большой кадр, остальные кадры вынуждены ждать в очереди. Поэтому передавать очень большие кадры не выгодно, и длинные потоки данных делятся на части между кадрами. С другой стороны, делать кадры короткими тоже не выгодно. В коротких кадрах почти весь объём будут занимать служебные данные, а полезных данных будет передано мало. Это характерно не только для Ethernet, но для многих других протоколов передачи данных. Поэтому для каждого стандарта существует свой оптимальный размер кадра, зависящий от скорости и надёжности сети. Максимальный размер полезной информации, передаваемой в одном блоке, называется MTU (maximum transmission unit). Для Ethernet он равен 1500 байт. То есть каждый Ethernet-кадр может нести не более 1500 байт полезных данных.

MAC-адреса и кадры позволяют разделить данные в общем Ethernet-эфире. Интерфейс обрабатывает только те кадры, MAC-адрес назначения которых совпадает с его собственным MAC-адресом. Кадры, адресованные другим получателям, интерфейс должен игнорировать. Достоинство такого подхода – простота реализации. Но есть и масса недостатков. Во-первых, проблемы безопасности. Любой может прослушать все данные, транслируемые в общий эфир. Во-вторых, эфир можно заполнить помехами. На практике, одна сбойная сетевая карта, постоянно отсылающая какие-то кадры, может повесить всю сеть предприятия. В-третьих, плохая масштабируемость. Чем больше компьютеров в сети, тем меньший кусочек эфира им достаётся, тем меньше эффективная пропускная способность сети.

Концепция эфира, MAC-адреса и Ethernet-кадры реализуют второй (канальный) уровень модели OSI. Этот уровень не претерпел изменений со времён первых стандартов Ethernet. Однако физический уровень сети Ethernet изменился радикально.