Стандарт передачи данных Ethernet

1.2. Стандарт передачи данных Ethernet

Основной принцип, положенный в основу – случайный метод доступа к разделяемой среде передачи данных. В стандарте строго зафиксирована топология связей – общая шина. Управление доступом к линии связи осуществляет контроллер – сетевой адаптер Ethernet. Каждый компьютер (сетевой адаптер) имеет уникальный адрес. Скорость передачи данных 10 Мбит/с.

Метод CSMA/CD – метод коллективного доступа с опознаванием несущей и обнаружением коллизий (carrier sense multiply access with collision detection)

Компьютер может передавать данные, только если сеть свободна (никакой другой компьютер данные не передает). Нужна процедура определения доступности среды. Признак незанятости среды – отсутствие на ней несущей частоты, которая при манчестерском способе кодирования 5МГц на чередовании 0 и 1 и 10 МГц на последовательности всех 1 или 0.

Если среда свободна, то компьютер передает единицу информации – кадр. Он содержит поле данных, адреса отправителя и получателя. Каждый кадр сопровождается преамбулой, которая состоит из 7 байт, содержащих из значений 10101010, и 8-го байта равного 10101011. Она нужна для вхождения приемника в побитовый и побайтовый синхронизм с передатчиком.

Все сетевые адаптеры начинают принимать этот кадр. Все они анализируют адрес получателя и, если он совпадает с их собственным адресом, кадр помещается во внутренний буфер. Данные обрабатываются (предаются вверх по стеку), а затем посылается кадр-ответ. После окончания передачи выдерживается технологическая пауза 9,6мкс. За это время сетевые адаптеры приводятся в исходное состояние. Это также препятствует монопольному захвату среды одним узлом.

Если два или больше компьютеров решают, что среда свободна и начинают передачу, то возникает ситуация именуемая коллизией. Это может произойти из-за того, что один компьютер начал передачу, а до другого информация не дошла и он тоже начал передачу. Вероятность их возникновения пропорционально интенсивности трафика. Предусмотрен алгоритм обнаружения и обработки коллизий.

Возникновение коллизий рассмотрим на примере сети построенной с использованием коаксиального кабеля. Все станции наблюдают за сигналами в кабеле. Если передаваемые и наблюдаемые сигналы отличаются, то фиксируется коллизия. Станция, которая обнаружила коллизию, прерывает передачу своего кадра и посылает 32-х битную jam-последовательность, что усиливает коллизию. После обнаружения коллизии передача прекращается, и через случайное время эти адаптеры снова начинают проверку среды.

Пауза=L*D

L– коэфф, выбирается случайным образом из интервала [0, 2^N], N<10. N– это номер попытки. Всего разрешено 16 попыток отправки кадра. Потом он отбрасывается.

D–интервал отсрочки =512 тактовых интервала. 1 такт = 0,1 мкс

Макс. отсрочка 2¹⁰* 512=52,4 мс

Для надежного распознавания коллизий должно выполняться следующее соотношение:

Т>К

Кадр – 72 байта с преамбулой, это 576 бит – передаются за 57,6 мкс, за это время сигнал пройдет по толстому коаксиальному кабелю 13282 м, в обе стороны от узла по 6635 м. Поэтому расстояние между самыми удаленными узлами выбрано 2500м.

Минусы: метод CSMA/CD не гарантирует, что станция получит доступ к среде. Это плата за простоту.

Плюсы: достоинство сетей Ethernet – экономичность. Для построения сети достаточно иметь сетевые адаптеры для каждого компьютера и один физический сегмент кабеля. Для этих сетей реализованы простые алгоритмы доступа к среде, адресации и передачи данных. Простота логики работы ведет к удешевлению сетевых адаптеров и к их надежности. Так же плюсом является то, что легко подключать новые узлы.

Домен коллизий – это часть сети Ethernet, все узлы которой распознают коллизию не зависимо от того, в какой части сети она возникла. Если сеть построена на повторителях, то она всегда образует один домен коллизий. Домен коллизий соответствует одной разделяемой среде. Мосты, коммутаторы, маршрутизаторы делят сеть Ethernet на несколько доменов коллизий.

Таблица 1. Параметры уровня МАС Ethernet

Параметр	Значение
Битовая скорость	10 Мбит/с
Межкадровый интервал	9,6 мкс
Макс число попыток передачи	16
Мин длина кадра (без преамбулы)	64 байт (512 бит)
Макс длина кадра (без преамбулы)	1518 байт
Длина преамбулы	8 байт ( 64 бит)

Расчет пропускной способности

Мин длина кадра с преамбулой – 72 байта = 576 бит,

скорость передачи 10 Мбит/с, значит, на его передачу затрачивается 57,5 мкс, плюс межкадровый интервал 9,6 мкс получим 67,1 мкс.

Пропускная способность сегмента 1/67,1= 0,0149031 мкс=14880 кадр/с.

Кадр макс длины с преамбулой – 1526 байт =12208 бит.

Пропускная способность – 813 кадр/с.

Полезная пропускная способность – скорость передачи данных, переносимых полем данных кадра. Это меньше пропускной способности из-за того, что в кадре содержится служебная информация, есть ожидание доступа к среде. Длина поля данных 46 или 1500 байт. 8 – число бит в байте.

Полезная пропускная способность= 14880*46*8=5,48 Мбит/с

Полезная пропускная способность= 813*1500*8=9,76 Мбит/с – почти 10 Мбит/с

Анализ протокола ALOHA

Пусть λ – число пакетов, которые генерируют пользователи (пак/сек), Т – продолжительность передачи пакета (сек).

Тогда ρ = λТ – коэфф. использования канала. На самом деле пакетов будет передаваться больше, из-за повторной передачи некоторых пакетов. Пусть R – доля повторно переданных пакетов, а λ' фактическое число переданных пакетов.

Найдем вероятность бесконфликтной передачи.

Вероятность того, что за время t будет сгенерировано n пакетов .

Вероятность того, что за это время не будет сгенерировано ни одного пакета .

Чтобы пакет, сгенерированный в момент t₀ был передан без конфликтов, надо чтобы на интервале (t₀-T, t₀+T) не было передано других пакетов. Вероятность этого события е^-λ'2Т.

Тогда R=1–е^-λ'2Т

λ= λ' (1–R)= λ' е^-λ'2Т

ρ = λT = λ' T е^-λ'2Т

При подсчете числа передач одного пакета надо учитывать, что повторно передаваемые пакеты, может быть, придется передавать еще. Среднее число передач одного пакета N=1+R+R²+R³+…== е^λ’2Т

Выразим ρ через N. и построим график этой функции.

Рис. 1. Трафик в канале с протоколом ALOHA

Вывод: при применении протокола доступа к среде ALOHA максимальный коэфф. использования канала 18,4%.

Пути повышения полезного использования канала

1. Тактированная ALOHA. Вводится дополнительное ограничение на момент начала передачи пакета: передачу можно начать только в начале такта. Если длительность такта взять равной Т, то, используя предыдущие выкладки, можно показать, что конфликтов не будет, если не будет послано других пакетов на интервале (t₀, t₀+T). При этом и, исследуя эту функцию, получаем, что полезное использование канала возрастает до 36,8%.

2. Предупреждение столкновений. Механизм контроля несущей позволяет предупреждать столкновения кадров. Каждый узел может по наличию сигнала в канале обнаружить, что другой узел ведет передачу. В такой момент он передачу не ведет. Вопрос: когда начать передачу, если линия освободилась?

Настойчивый терминал – захват канала сразу. При такой политике полезное использование канала возрастает до 50%

Ненастойчивый терминал откладывает попытку на случайную величину. При этом полезное использование возрастает до 80%.

Форматы кадров Ethernet

Стандарт, описанный в документе IEEE 802.3, дает описание единственного формата кадра уровня МАС. Он должен вкладываться в кадр уровня LLC, описанный в документе IEEE 802.2. Реально существуют 4 типа кадров. Это связано с историей развития технологии.

Кадр 802.3/LLC (кадр 802.3/802.2, кадр Nowell 802.2)

Кадр Raw 802.3 (кадр Nowell 802.3)

Кадр Ethernet DIX (кадр Ethernet 2)

Кадр Ethernet SNAP

В стандарте кадра уровня МАС должно быть определено 8 полей заголовка.

1. 
   Поле преамбулы. Это 7 синхронизирующих байт вида 10101010. При манчестерском способе кодирования это соответствует периодическому волновому сигналу с частотой 5 МГц
   
2. 
   Начальный ограничитель кадра. Это 1 байт 10101011
   
3. 
   Адрес назначения DA. Это2 или 6 байт. На практике используется 6 байт. Если первый бит старшего байта = 0 , то это индивидуальный адрес, =1 – это групповой адрес. Второй бит старшего байта определяет способ назначения адреса – 0 централизованно (назначен комитетом IEEE) или 1 назначен локально.
   
4. 
   Адрес источника SA. 2 или 6 байт. Первый бит адреса всегда 0.
   
5. 
   Длина L. 2 байта.
   
6. 
   Поле данных. Data От 0 до 1500 байт. Если длина поля меньше 46 байт, то используется следующее поле, чтобы дополнить поле до минимальной длины.
   
7. 
   Поле заполнения FCS. Используется для обеспечения корректного механизма обнаружения коллизий.
   
8. 
   Поле контрольной суммы. 4 байта. Это значение вычисляется по алгоритму CRC-32. После получения кадра, каждая рабочая станция вычисляет контрольную сумму и сравнивает ее со значением поля. Так определяется, не искажен ли кадр.
   

6	6	2	1	1	1(2)	46-1497	4
DA	SA	L	DSAP	SSAP	Control	Data	FCS
			Заголовок LLC

Рис.2. Кадр 802.3/LLC

Версии Ethernet (10Base5, 10Base2, 10BaseT, 10BaseF)

Исторически первые сети технологии Ethernet были созданы на коаксиальном кабеле d=0,5 дюйма. Потом стали использоваться и другие среды передачи данных. Но все версии объединяет то, что используется один метод доступа CSMA/CD.

Число 10 – битовая скорость передачи данных. Base – метод передачи на одной базовой частоте 10 МГц (в отличие от широкополосных методов, которые используют несколько несущих частот). Последний символ – тип кабеля.

Физические спецификации сред передачи данных.

10Base5 – толстый коаксиальный кабель d=0,5 дюйма, сопротивление 50 Ом, макс длина сегмента без повторителей 500 м.

10Base2 – тонкий коаксиальный кабель d=0,25 дюйма, сопротивление 50 Ом, макс длина сегмента без повторителей 185 м.

10BaseT – кабель на основе неэкранированной витой пары. Звездообразная топология на основе концентратора. Расстояние между концентратором и узлом не более 100 м.

10BaseF – волоконно-оптический кабель. Аналог 10BaseT.

Необходимый набор аппаратуры для построения сегмента:

10Base5

1. 
   сетевые адаптеры, трансиверы, отрезки трансиверного кабеля (мах 50м)
   
2. 
   отрезок толстого коаксиального кабеля
   
3. 
   2 терминатора (один из них с заземлением)
   

10Base2

1. 
   сетевые адаптеры и T-коннекторы
   
2. 
   отрезки тонкого коаксиального кабеля
   
3. 
   2 BNC терминатора (один из них с заземлением)
   

10BaseT

1. 
   сетевые адаптеры с разъемом RJ-45
   
2. 
   отрезки витой пары для подключения адаптера к концентратору
   
3. 
   концентратор
   

10BaseF

1. 
   сетевые адаптеры с FOMAU (для преобразования электрич. сигнал в оптический) или отдельный FOMAU с трансиверным кабелем мах 25м
   
2. 
   отрезки оптоволоконного кабеля (мах 2 км)
   
3. 
   концентратор
   

Возможности расширения

1. 
   повторители (для 10Base5 и 10Base2). Правило 5-4-3
   
2. 
   древовидное соединение концентраторов (10BaseТ и 10BaseF). Правило 4-hub
   

Таблица 2. Параметры спецификаций физического уровня Ethernet

	10Base5	10Base2	10BaseT	10BaseF
Кабель	Толстый коаксиальный RG-8	Тонкий коаксиальный	Неэкранированная витая пара UTP3	Волоконно-оптический кабель
Стоимость	Дорогой кабель	Цена сравнима с оптоволокном	По 2 витых пары к кажд. узлу	Дорогая аппаратура
Макс. длина сегмента, м	500	185	100	2000
Макс. расст между узлами(при использ. повторителей)	2500	925	500	2500
Макс. число станций в сегменте	100 через 2,5м	30 через 1м	1024	1024
Недостатки	Трудно искать разрыв. Правило 5:4:3 5 сегментов, 4 повторителя, 3 сегмента		Нужны hub Правило 4 хабов

Технология FastEthernet как развитие классического Ethernet

В начале 90-х годов стала ощущаться недостаточная пропускная способность 10-мегабитного Ethernet. Для компьютеров на процессорах Intel 386 с шиной EISA(32 Мбит/с) пропускная способность сегмента Ethernet была 1/32 канала «память-диск». Для более мощных клиентских станций с шиной PCI (133 Мбит/с) она упала до 1\133, что недостаточно. Многие сегменты стали перегружены, возросла частота коллизий. Возникла потребность в разработке нового Ethernet.

Разработкой нового стандарта занялись две коалиции: Fast Ethernet Alliance (SynOptics, 3Com) и Hewlett-Packard, AT&T, IBM.

Первая группа создала спецификацию Fast Ethernet как дополнение к стандарту 802.3.

Вторая группа создала новый метод доступа Demand Priory(поддерживает кадры двух форматов Ethernet и TokenRing) и на его основе новую технологию 100VG-AnyLAN.

Отличия FastEthernet от Ethernet на физическом уровне.

• 
  Витая пара категории не ниже 3, используется 4 пары – 100BaseT4
  
• 
  Витая пара категории 5, используется 2 пары – 100BaseTX
  
• 
  Многомодовый волоконно-оптический кабель, используется 2 волокна – 100BaseFX
  

Добавили логическое кодирование в 100BaseT4 – 8В/6Т, из-за этого уменьшился спектр, передача идет параллельно по 3-м витым парам, а 4-я для прослушивания входящего сигнала для определения коллизии.

100BaseFX и ТХ – NRZI и MLT-3 и над ним 4В/5В.

Логическая топология – древовидная, построенная на концентраторах.

Признак свободной среды – передача символа Idle из логического кода, а не отсутствие сигнала.

Форматы кадров технологии Fast Ethernet не отличаются от форматов кадров технологий 10-Мегабитного Ethernet'a. На рисунке приведен формат MAC-кадра Ethernet, а также временные параметры его передачи по сети для скорости 10 Мб/с и для скорости 100 Мб/с.

Все времена передачи кадров Fast Ethernet в 10 раз меньше соответствующих времен технологии 10-Мегабитного Ethernet'а: межбитовый интервал составляет 10 нс вместо 100 нс, а межкадровый интервал – 0.96 мкс вместо 9.6 мкс соответственно.

Длины сегментов (от hub до узла): 100м на витой паре, 136 м оптоволокно

Правило 1-2 hub. Повторители 1 первого класса (разные схемы логического кодирования) и 2 второго класса (одна схема). От повторителя до станции 100 м, между повторителями 5 м.

жүктеу/скачать 0.51 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: