Мережі Ethernet й Fast Ethernet

Комп'ютерні мережі

Найбільше поширення серед стандартних мереж одержала мережа Ethernet. Уперше вона з’явилася в 1972 році (розроблювачем виступила відома фірма Xerox). Мережа виявилася досить вдалою, і внаслідок цього її в 1980 році підтримали такі найбільші компанії, як DEC й Intel (об’єднання цих компаній назвали DIX по перших буквах їхніх назв). Їхніми стараннями в 1985 році мережа Ethernet стала міжнародним стандартом, її прийняли найбільші міжнародні організації по стандартах: комітет 802 IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) і ECMA (European Computer Manufacturers Association).

Стандарт одержав назву IEEE 802.3 (по-англійському читається як “eight oh two dot three”). Він визначає множинний доступ до моноканалу типу шина з виявленням конфліктів і контролем передачі. Цьому стандарту задовольняли й деякі інші мережі, тому що рівень його деталізації невисокий. У результаті мережі стандарту IEEE 802.3 нерідко були несумісні між собою як по конструктивним, так і по електричних характеристиках. Однак останнім часом стандарт IEEE 802.3 уважається стандартом саме мережі Ethernet.

Основні характеристики первісного стандарту IEEE 802.3:

топологія – шина;
середовище передачі – коаксіальний кабель;
швидкість передачі – 10 Мбіт/с;
максимальна довжина мережі – 5 км;
максимальна кількість абонентів – до 1024;
довжина сегмента мережі – до 500 м;
кількість абонентів на одному сегменті – до 100;
метод доступу – CSMA/CD;
передача вузькополосна, тобто без модуляції (моноканал).

Строго говорячи, між стандартами IEEE 802.3 й Ethernet існують незначні відмінності, але про їх звичайно воліють не згадувати.

Мережа Ethernet зараз найбільш популярна у світі (більше 90% ринку), приблизно такою вона й залишиться в найближчі роки. Цьому в чималому ступені сприяло те, що із самого початку характеристики, параметри, протоколи мережі були відкриті, у результаті чого величезне число виробників в усьому світі стали випускати апаратуру Ethernet, повністю сумісну між собою.

У класичній мережі Ethernet застосовувався 50-омный коаксіальний кабель двох видів (товстий і тонкий). Однак останнім часом (з початку 90-х років) найбільше поширення одержала версія Ethernet, що використовує як середовище передачі кручені пари. Визначений також стандарт для застосування в мережі оптоволоконного кабелю. Для обліку цих змін у споконвічний стандарт IEEE 802.3 були зроблені відповідні додавання. В 1995 році з’явився додатковий стандарт на більш швидку версію Ethernet, що працює на швидкості 100 Мбіт/с (так званий Fast Ethernet, стандарт IEEE 802.3u), що використовує як середовище передачі кручену пару або оптоволоконний кабель. В 1997 році з’явилася й версія на швидкості 1000 Мбіт/с (Gigabit Ethernet, стандарт IEEE 802.3z).

Крім стандартної топології шина усе ширше застосовуються топології типу пасивна зірка й пасивне дерево. При цьому передбачається використання репітерів і репітерних концентраторів, що з’єднують між собою різні частини (сегменти) мережі. У результаті може сформуватися деревоподібна структура на сегментах різних типів.

Як сегмент (частина мережі) може виступати класична шина або одиничний абонент. Для шинних сегментів використовується коаксіальний кабель, а для променів пасивної зірки (для приєднання до концентратора одиночних комп’ютерів) – кручена пара й оптоволоконний кабель. Головна вимога до отриманої в результаті топології – щоб у ній не було замкнутих шляхів (петель). Фактично виходить, що всі абоненти з’єднані у фізичну шину, тому що сигнал від кожного з них поширюється відразу в усі сторони й не повертається назад (як у кільці).

Максимальна довжина кабелю мережі в цілому (максимальний шлях сигналу) теоретично може досягати 6,5 кілометрів, але практично не перевищує 3,5 кілометрів.

У мережі Fast Ethernet не передбачена фізична топологія шина, використовується тільки пасивна зірка або пасивне дерево. До того ж в Fast Ethernet набагато більш жорсткі вимоги до граничної довжини мережі. Адже при збільшенні в 10 разів швидкості передачі й збереженні формату пакета його мінімальна довжина стає в десять разів коротше. У такий спосіб в 10 разів зменшується припустима величина подвійного часу проходження сигналу по мережі (5,12 мкс проти 51,2 мкс в Ethernet).

Для передачі інформації в мережі Ethernet застосовується стандартний манчестерський код.

Доступ до мережі Ethernet здійснюється по випадковому методу CSMA/CD, що забезпечує рівноправність абонентів.

Довжина кадру Ethernet (тобто пакета без преамбули) повинна бути не менш 512 бітових інтервалів або 51,2 мкс (саме така гранична величина подвійного часу проходження в мережі). Передбачено індивідуальну, групову й широкомовну адресацію.

У пакет Ethernet входять наступні поля:

Преамбула складається з 8 байт, перші сім являють собою код 10101010, а останній байт – код 10101011. У стандарті IEEE 802.3 восьмий байт називається ознакою початку кадру (SFD – Start of Frame Delimiter) і утворює окреме поле пакета.
Адреси одержувача (приймача) і відправника (передавача) включають по 6 байт. Ці адресні поля обробляються апаратурами абонентів.
Поле керування (L/T – Length/Type) містить інформацію про довжину поля даних. Воно може також визначати тип використовуваного протоколу. Прийнято вважати, що якщо значення цього поля не більше 1500, то воно вказує на довжину поля даних. Якщо ж його значення більше 1500, то воно визначає тип кадру. Поле керування обробляється програмно.
Поле даних повинне містити в собі від 46 до 1500 байт даних. Якщо пакет повинен містити менш 46 байт даних, то поле даних доповнюється байтами заповнення. Відповідно до стандарту IEEE 802.3, у структурі пакета виділяється спеціальне поле заповнення (pad data – незначні дані), що може мати нульову довжину, коли даних досить (більше 46 байт).
Поле контрольної суми (FCS – Frame Check Sequence) містить 32-розрядну циклічну контрольну суму пакета (CRC) і служить для перевірки правильності передачі пакета.

Таким чином, мінімальна довжина кадру (пакета без преамбули) становить 64 байти (512 біт). Саме ця величина визначає максимально припустиму подвійну затримку поширення сигналу по мережі в 512 бітових інтервалів (51,2 мкс для Ethernet або 5,12 мкс для Fast Ethernet). Стандарт припускає, що преамбула може зменшуватися при проходженні пакета через різні мережні пристрої, тому вона не враховується. Максимальна довжина кадру дорівнює 1518 байтам (12144 біта, тобто 1214,4 мкс для Ethernet, 121,44 мкс для Fast Ethernet). Це важливо для вибору розміру буферної пам’яті мережного встаткування й для оцінки загальної завантаженості мережі.

Для мережі Ethernet, що працює на швидкості 10 Мбіт/с, стандарт визначає чотири основних типи сегментів мережі, орієнтованих на різні середовища передачі інформації:

10BASE5 (товстий коаксіальний кабель);
10BASE2 (тонкий коаксіальний кабель);
10BASE-T (кручена пара);
10BASE-FL (оптоволоконний кабель).

Найменування сегмента містить у собі три елементи: цифра “10” означає швидкість передачі 10 Мбіт/с, слово BASE – передачу в основній смузі частот (тобто без модуляції високочастотного сигналу), а останній елемент – припустиму довжину сегмента: “5” – 500 метрів, “2” – 200 метрів (точніше, 185 метрів) або тип лінії зв’язку: “Т” – кручена пари (від англійського “twisted-pair”), “F” – оптоволоконний кабель (від англійського “fiber optic”).

Точно так само для мережі Ethernet, що працює на швидкості 100 Мбіт/с (Fast Ethernet) стандарт визначає три типи сегментів, що відрізняються типами середовища передачі:

100BASE-T4 (зчетверена кручена пари);
100BASE-TX (здвоєна кручена пари);
100BASE-FX (оптоволоконний кабель).

Тут цифра “100” означає швидкість передачі 100 Мбіт/с, буква “Т” – кручену пару, буква “F” – оптоволоконний кабель. Типи 100BASE-TX й 100BASE-FX іноді поєднують під ім’ям 100BASE-X, а 100BASE-T4 й 100BASE-TX – під ім’ям 100BASE-T.

Мережа Ethernet не відрізняється ні рекордними характеристиками, ні оптимальними алгоритмами, вона уступає по ряду параметрів іншим стандартним мережам. Але завдяки потужній підтримці, найвищому рівню стандартизації, величезним обсягам випуску технічних засобів, Ethernet вигідно виділяється серед інших стандартних мереж, і тому будь-яку іншу мережну технологію прийнято порівнювати саме з Ethernet.

Розвиток технології Ethernet іде по шляху все більшого відходу від первісного стандарту. Застосування нових середовищ передачі й комутаторів дозволяє істотно збільшити розмір мережі. Відмова від манчестерського коду (у мережі Fast Ethernet й Gigabit Ethernet) забезпечує збільшення швидкості передачі даних і зниження вимог до кабелю. Відмова від методу керування CSMA/CD (при повнодуплексному режимі обміну) дає можливість різко підвищити ефективність роботи й зняти обмеження з довжини мережі. Проте, всі нові різновиди мережі також називаються мережею Ethernet.