Связь по ethernet. Так что же такое Ethernet и как он работает? Ethernet — основа сетей. Стандарты технологии Ethernet

При разработке технологии Ethernet ставилось несколько задач: она должна быть построена по принципу общей шины и поддерживать широковещательный режим передачи данных, обеспечивать негарантированную доставку пакетов (best-effort) и распределенное управление доступом. В сети Ethernet используется топология, которая называется общей шиной , поскольку все рабочие станции подключаются к одному совместно используемому каналу связи. Кроме того, сеть Ethernet построена по принципу широковещательной передачи данных (broadcast technology) , т.е. абоненты сети получают все посланные в эфир пакеты. Это позволяет передать пакет сразу всем абонентам сети.

О том, как переслать пакет от одной рабочей станции к другой или к их группе, речь пойдет чуть ниже. А пока достаточно понять, что на самом нижнем уровне в сети Ethernet находится оборудование, которое не различает адресатов в передаваемых пакетах. Другими словами, от концентратора пакеты поступают на все подключенные к нему сетевые платы, а плата уже “решает”, какие пакеты должен принять компьютер, в котором она установлена.

В технологии Ethernet не предпринимаются специальные усилия для доставки пакетов. Поскольку сетевому оборудованию отправителя не передается информация о доставке пакета получателю, нельзя гарантировать, что пакет будет доставлен получателю без проблем. Типична, например, ситуация, когда компьютер получателя выключен. При этом все посланные ему пакеты теряются, а отправитель об этом даже не подозревает. Ниже будет описано, как в семействе протоколов TCP/IP решается проблема негарантированной доставки пакетов сетевым оборудованием.

В технологии Ethernet применяется распределенное управление доступом, так как, в отличие от некоторых других сетевых технологий, в нем не предусмотрена централизованная система предоставления доступа. В Ethernet применяется система доступа, называемая множественным доступом с контролем несущей и обнаружением коллизий (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect , или CSMA/CD) . Название множественный доступ с контролем несущей говорит о том, что одновременный доступ к сети Ethernet имеет множество компьютеров. При этом каждая машина определяет, свободен ли эфир, по наличию несущей частоты в кабеле. Когда сетевая плата собирается передать пакет данных, она проверяет, не передается ли по сети в этот момент кем-либо другой пакет (т.е. выполняет контроль несущей). Если несущая в кабеле не обнаружена, сетевая плата начинает передачу данных. Процесс передачи пакета ограничен во времени, поскольку его длина конечна и не может превышать заранее оговоренного значения, называемого максимальным размером пакета. Кроме того, время, прошедшее после предыдущей отправки пакета сетевой платой, не должно быть меньше заранее установленного значения. Это сделано для того, чтобы предотвратить монопольное использование сети одним компьютером и предоставить доступ к сети другим абонентам.

Системное администрирование

Tutorial

Что такое домен коллизий?
Сколько пар используется для Ethernet и почему?
По каким парам идет прием, а по каким передача?
Что ограничивает длину сегмента сети?
Почему кадр не может быть меньше определенной величины?

Если не знаешь ответов на эти вопросы, а читать стандарты и серьезную литературу по теме лень - прошу под кат.

Кто-то считает, что это очевидные вещи, другие скажут, что скучная и ненужная теория. Тем не менее на собеседованиях периодически можно услышать подобные вопросы. Мое мнение: о том, о чем ниже пойдет речь, нужно знать всем, кому приходится брать в руки «обжимку» 8P8C (этот разъем обычно ошибочно называют RJ-45). На академическую глубину не претендую, воздержусь от формул и таблиц, так же за бортом оставим линейное кодирование. Речь пойдет в основном о медных проводах, не об оптике, т.к. они шире распространены в быту.

Технология Ethernet описывает сразу два нижних уровня модели OSI . Физический и канальный. Дальше будем говорить только о физическом, т.е. о том, как передаются биты между двумя соседними устройствами.

Технология Ethernet - часть богатого наследия исследовательского центра Xerox PARC . Ранние версии Ethernet использовали в качестве среды передачи коаксиальный кабель, но со временем он был полностью вытеснен оптоволокном и витой парой. Однако важно понимать, что применение коаксиального кабеля во многом определило принципы работы Ethernet. Дело в том, что коаксиальный кабель - разделяемая среда передачи. Важная особенность разделяемой среды: ее могут использовать одновременно несколько интерфейсов, но передавать в каждый момент времени должен только один. С помощью коаксиального кабеля можно соединит не только 2 компьютера между собой, но и более двух, без применения активного оборудования. Такая топология называется шина . Однако если хотябы два узла на одной шине начнут одновременно передавать информацию, то их сигналы наложатся друг на друга и приемники других узлов ничего не разберут. Такая ситуация называется коллизией , а часть сети, узлы в которой конкурируют за общую среду передачи - доменом коллизий . Для того чтоб распознать коллизию, передающий узел постоянно наблюдает за сигналов в среде и если собственный передаваемый сигнал отличается от наблюдаемого - фиксируется коллизия. В этом случае все узлы перестают передавать и возобновляют передачу через случайный промежуток времени.

Диаметр коллизионного домена и минимальный размер кадра

Теперь давайте представим, что будет, если в сети, изображенной на рисунке, узлы A и С одновременно начнут передачу, но успеют ее закончить раньше, чем примут сигнал друг друга. Это возможно, при достаточно коротком передаваемом сообщении и достаточно длинном кабеле, ведь как нам известно из школьной программы, скорость распространения любых сигналов в лучшем случае составляет C=3*10 8 м/с. Т.к. каждый из передающих узлов примет встречный сигнал только после того, как уже закончит передавать свое сообщение - факт того, что произошла коллизия не будет установлен ни одним из них, а значит повторной передачи кадров не будет. Зато узел B на входе получит сумму сигналов и не сможет корректно принять ни один из них. Для того, чтоб такой ситуации не произошло необходимо ограничить размер домена коллизий и минимальный размер кадра. Не трудно догадаться, что эти величины прямо пропорциональны друг другу. В случае же если объем передаваемой информации не дотягивает до минимального кадра, то его увеличивают за счет специального поля pad, название которого можно перевести как заполнитель.

Таким образом чем больше потенциальный размер сегмента сети, тем больше накладных расходов уходит на передачу порций данных маленького размера. Разработчикам технологии Ethernet пришлось искать золотую середину между двумя этими параметрами, и минимальным размером кадра была установлена величина 64 байта.

Витая пара и дуплексный режим рабты

Витая пара в качестве среды передачи отличается от коаксиального кабеля тем, что может соединять только два узла и использует разделенные среды для передачи информации в разных направлениях. Одна пара используется для передачи (1,2 контакты, как правило оранжевый и бело-оранжевый провода) и одна пара для приема (3,6 контакты, как правило зеленый и бело-зеленый провода). На активном сетевом оборудовании наоборот. Не трудно заметить, что пропущена центральная пара контактов: 4, 5. Эту пару специально оставили свободной, если в ту же розетку вставить RJ11, то он займет как раз свободные контакты. Таким образом можно использовать один кабели и одну розетку, для LAN и, например, телефона. Пары в кабеле выбраны таким образом, чтоб свести к минимуму взаимное влияние сигналов друг на друга и улучшить качество связи. Провода одной пару свиты между собой для того, чтоб влияние внешних помех на оба провода в паре было примерно одинаковым.
Для соединения двух однотипных устройств, к примеру двух компьютеров, используется так называемый кроссовер-кабель(crossover) , в котором одна пара соединяет контакты 1,2 одной стороны и 3,6 другой, а вторая наоборот: 3,6 контакты одной стороны и 1,2 другой. Это нужно для того, чтоб соединить приемник с передатчиком, если использовать прямой кабель, то получится приемник-приемник, передатчик-передатчик. Хотя сейчас это имеет значение только если работать с каким-то архаичным оборудованием, т.к. почти всё современное оборудование поддерживает Auto-MDIX - технология позволяющая интерфейсу автоматически определять на какой паре прием, а на какой передача.

Возникает вопрос: откуда берется ограничение на длину сегмента у Ethernet по витой паре, если нет разделяемой среды? Всё дело в том, первые сети построенные на витой паре использовали концентраторы. Концентратор (иначе говоря многовходовый повторитель) - устройство имеющее несколько портов Ethernet и транслирующее полученный пакет во все порты кроме того, с которого этот пакет пришел. Таким образом если концентратор начинал принимать сигналы сразу с двух портов, то он не знал, что транслировать в остальные порты, это была коллизия. То же касалось и первых Ethernet-сетей использующих оптику (10Base-FL).

Зачем же тогда использовать 4х-парный кабель, если из 4х пар используются только две? Резонный вопрос, и вот несколько причин для того, чтобы делать это:

4х-парный кабель механически более надежен чем 2х-парный.
4х-парный кабель не придется менять при переходе на Gigabit Ethernet или 100BaseT4, использующие уже все 4 пары
Если перебита одна пара, можно вместо нее использовать свободную и не перекладывать кабель
Возможность использовать технологию Power over ethernet

Не смотря на это на практике часто используют 2х-парный кабель, подключают сразу 2 компьютера по одному 4х-парному, либо используют свободные пары для подключения телефона.

Gigabit Ethernet

В отличии от своих предшественников Gigabit Ethernet всегда использует для передачи одновременно все 4 пары. Причем сразу в двух направлениях. Кроме того информация кодируется не двумя уровнями как обычно (0 и 1), а четырьмя (00,01,10,11). Т.е. уровень напряжения в каждый конкретный момент кодирует не один, а сразу два бита. Это сделано для того, чтоб снизить частоту модуляции с 250 МГц до 125 МГц. Кроме того добавлен пятый уровень, для создания избыточности кода. Он делает возможной коррекцию ошибок на приеме. Такой вид кодирования называется пятиуровневым импульсно-амплитудным кодированием (PAM-5). Кроме того, для того, чтоб использовать все пары одновременно для приема и передачи сетевой адаптер вычитает из общего сигнала собственный переданный сигнал, чтоб получить сигнал переданный другой стороной. Таким образом реализуется полнодуплексный режим по одному каналу.

Дальше - больше

10 Gigabit Ethernet уже во всю используется провайдерами, но в SOHO сегменте не применяется, т.к. судя по всему там вполне хватает Gigabit Ethernet. 10GBE качестве среды распространения использует одно- и многомодовое волокно, с или без уплотнением по длине волны , медные кабели с разъемом InfiniBand а так же витую пару в стандарте 10GBASE-T или IEEE 802.3an-2006.

40-гигабитный Ethernet (или 40GbE ) и 100-гигабитный Ethernet (или 100GbE ). Разработка этих стандартов была закончена в июле 2010 года. В настоящий момент ведущие производители сетевого оборудования, такие как Cisco, Juniper Networks и Huawei уже заняты разработкой и выпуском первых маршрутизаторов поддерживающих эти технологии.

В заключении стоит упомянуть о перспективной технологии Terabit Ethernet . Боб Меткалф, создатель предположил, что технология будет разработана к 2015 году, и так же сказал:

Чтобы реализовать Ethernet 1 ТБит/с, необходимо преодолеть множество ограничений, включая 1550-нанометровые лазеры и модуляцию с частотой 15 ГГц. Для будущей сети нужны новые схемы модуляции, а также новое оптоволокно, новые лазеры, в общем, все новое

UPD : Спасибо хабраюзеру , что подсказал, про то что разъем, который я всю жизнь называл RJ45 на самом деле 8P8C .
UPD2: : Спасибо пользователю , что объяснил, почему используются контакты 1,2,3 и 6.

Tutorial

Что такое домен коллизий?
Сколько пар используется для Ethernet и почему?
По каким парам идет прием, а по каким передача?
Что ограничивает длину сегмента сети?
Почему кадр не может быть меньше определенной величины?

Если не знаешь ответов на эти вопросы, а читать стандарты и серьезную литературу по теме лень - прошу под кат.

Диаметр коллизионного домена и минимальный размер кадра

Витая пара и дуплексный режим рабты

4х-парный кабель механически более надежен чем 2х-парный.
4х-парный кабель не придется менять при переходе на Gigabit Ethernet или 100BaseT4, использующие уже все 4 пары
Если перебита одна пара, можно вместо нее использовать свободную и не перекладывать кабель
Возможность использовать технологию Power over ethernet

Gigabit Ethernet

Дальше - больше

Чтобы реализовать Ethernet 1 ТБит/с, необходимо преодолеть множество ограничений, включая 1550-нанометровые лазеры и модуляцию с частотой 15 ГГц. Для будущей сети нужны новые схемы модуляции, а также новое оптоволокно, новые лазеры, в общем, все новое

UPD : Спасибо хабраюзеру Nickel3000 , что подсказал, про то что разъем, который я всю жизнь называл RJ45 на самом деле 8P8C .
UPD2: : Спасибо пользователю Wott , что объяснил, почему используются контакты 1,2,3 и 6.

Теги: Добавить метки

Ethernet - это самый распространенный на сегодняшний день стандарт локальных сетей, реализуемый на канальном уровне модели OSI. Общее количество работающих по протоколу Ethernet сетей оценивается в 5 миллионов, а количество компьютеров с установленными адаптерами Ethernet – более чем в 50 миллионов. Ethernet – это сетевой стандарт, разработанный фирмой Xerox в 1975 году и принятый комитетом IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers).

Указанный стандарт использует метод разделения среды – метод CSMA/ CD (carrier- sense – multiply- acces with collision detection)- метод коллективного доступа с опознаванием несущей и обнаружением коллизий. Этот метод используется исключительно в сетях с топологией “общая шина”. Все компьютеры в такой топологии имеют доступ к общей шине, все компьютеры имеют возможность немедленно получить данные, которые любой из компьютеров начал передавать на общую шину. Простота подключения предопределяет успех технологии Ethernet. Базовый cтандарт Ethernet предписывает передачу двоичной информации для всех вариантов физической среды со скоростью 10 Мбит/с.

Принцип работы Ethernet следующий.

Чтобы получить возможность передавать кадр компьютер должен убедиться, канал связи (среда) свободен. Это достигается прослушиванием основной гармоники сигнала, которая также называется несущей частотой (carrier- sense, CS). Признаком незанятости канала является отсутствие на ней несущей частоты (5 – 10 МГц). Если среда свободна, то компьютер начинает передавать кадр. Если в это время другой компьютер пробует начать передачу, но обнаруживает, что канал занят, он вынужден ждать, пока первый компьютер не прекратить передачу кадра.

После окончания передачи кадра все компьютеры вынуждены выдержать технологическую паузу в 9,6 мкс. Такая пауза необходима для приведения сетевых адаптеров в исходное состояние. Механизм прослушивания среды не гарантирует от возникновения такой ситуации, когда два или более компьютеров одновременно решают, что среда свободна и начинают передачу своих кадров. В этом случае возникает коллизия, так как оба кадры сталкиваются на общем кабеле и происходит искажение информации. (Рис 1). Для возникновения коллизии не обязательно, чтобы несколько компьютеров начали передачу абсолютно одновременно, такая ситуация маловероятно. Гораздо вероятней, что коллизия возникает из-за того, что один компьютер начинает передачу кадра раньше другого, но до второго компьютера сигнал первого просто не успевает дойти, когда он решает начать передачу. Другими словами, коллизии- это следствия распределенного характера сети. Чтобы отработать коллизию все компьютеры одновременно наблюдают за сигналами на кабеле.

Если передаваемые и наблюдаемые сигналы отличаются, то фиксируется коллизия. Для увеличения вероятности скорейшего обнаружения коллизии всеми компьютерами сети тот компьютер, который обнаружил коллизию прерывает передачу своего кадра и усиливает коллизию передачей в сеть специальной последовательности (4 байта), называемой jam- последовательностью.

Прекративший передачу компьютер должен сделать паузу в течение короткого случайного интервала времени, а затем снова предпринять попытку захвата канала и передачи кадра. Случайная пауза выбирается следующим образом:

Пауза = L x (интервал отсрочки) (1)

Интервал отсрочки равен 512 bt - битовым интервалам. В технологии Ethernet битовым интервалом называется интервал времени между появлением двух последовательных бит данных на кабеле. Для скорости канала 10 Мбит/ с величина битового интервала равна 0,1 мкс.

Рассмотрение принципов работы любой технологии, стоит начинать с истории ее создания. Технология Ethernet появилась как один многих из проектов корпорации Xerox PARC. В 1973 году сотрудником исследовательского центра компании Xerox Робертом Меткалфом была составлена докладная записка, описывающая принципы работы технологии Ethernet. Технология Ethernet основывалась на принципе «множественного доступа с контролем несущей и обнаружением коллизий» (CSMA/CD). В этом же году совместно Дэвидом Боггсом он создал первую сеть, объединявшую два компьютера на скорости 2,944 Мбит/с.

По прошествии лет благодаря стараниям Роберта Меткалфа ведущие компании Intel, Xerox, DEC начинают стандартизировать протокол Ethernet. Вскоре технология Ethernet начинает конкурировать с ведущими в то время технологиями Token Ring и Arcnet.

В 1985 году публикуется документ IEEE 802.3, который описывает стандарт передачи данных на скорости 10 Мбит/с. В первых стандартах Ethernet в качестве среды передачи использовался коаксиальный кабель. То есть не было еще тогда привычных для нас коммутаторов. Для соединения с сетевой картой компьютера использовались специальные трансиверы, либо коннекторы. Коаксиальный кабель выступал в роли общей шины. На обеих концах шины устанавливались терминаторы — сетевые окончания. Существовали две разновидности первого Ethernet: 10Base5 (толстый коаксиальный кабель) и 10Base2 (тонкий коаксиальный кабель).

В 1991 году был принят стандарт 10Base-T, который использует в качестве среды передачи двойную неэкранированную витую пару. Используется кабель 3 категории (Cat 3). Соединения конечных станций осуществлялись по топологии «точка-точка» со специальным устройством — многопортовым повторителем (концентратором). Принцип работы концентратора достаточно прост. Он принимает сигнал на одном из портов, после чего повторяет его на все остальные. Таким образом, реализуется свойственная для Ethernet топология «общая шина» с разделением пропускной способности между всеми хостами сети.

26 октября 1995 года в институте IEEE был официально принят стандарт 802.3u, описывающий технологию Fast Ethrenet. Fast Ethernet отличался высокой скоростью передачи данных — 100 Мбит/с. От традиционного Ethernet сохранили метод случайного доступа CSMA/CD, формат кадра, звездообразную топологию. Все отличия от Ethernet сосредоточены на физическом уровне. В организации Fast Ethernet используется три типа кабелей: оптический многоволоконный кабель (100Base-FX), витая пара 5-ой категории (100Base-TX), витая пара 3-ей категории (100Base-T4).

Со временем требования к скорости передачи данных возрастают. Следующим шагом в развитие было стандартизация стандарта Gigabit Ethernet, имеющего официальное название IEEE 802.3z. Данный стандарт был опубликован в июле 1998 года. IEEE 802.3z включал в себя три вида кабелей: 1000BASE-SX - для передачи сигнала по многомодовому оптоволокну, 1000BASE-LX - по одномодовому оптоволокну, и почти вышедший из употребления 1000BASE-CX - по экранированному сбалансированному медному кабелю.

После краткого исторического очерка перейдем непосредственно к принципам работы технологии Ethernet. В начале статьи было упомянуто, что Ethernet использует метод «множественного доступа с контролем несущей и обнаружением коллизий» (CSMA/CD). Именно этот принцип является «фундаментом» всей технологии. Что же он из себя представляет?

Все станции подключены к общей шине. Каждая из них прослушивает среду на наличие несущей. Наличие несущей означает, что какая-то из станций в данный момент передает кадр. Для получения доступа к среде передачи станция должна обнаружить отсутствия несущей, выждать технологическую паузу и, если несущей нет, то может начать передавать свой кадр. Кадр передается по общей шине и доходит до всех станций. Если адрес назначения совпадает, то станция принимает кадр, в противном случае она его отбрасывает.

Если станции будут передавать кадры одновременно, то возникнет коллизия .

Коллизия — наложение двух и более кадров

После обнаружения коллизии все станции обязаны прекратить передачу кадров и ожидать в течении короткого случайного промежутка времени для того, чтобы снова получить доступ к среде передачи.

Из описания метода видно, что он носит вероятностный характер. Предполагается, что любая станция в любой момент времени может начать передачу кадров. С увеличением станций вероятность возникновения коллизий увеличивается, вследствие чего стандарт Ethrenet устанавливает ограничение не более 1024 узлов в одной сети. При этом максимальное расстояние между любыми двумя узлами должно составлять не более 2500 м.

Стандарт 802.3 определяет формат кадра Ethrenet.

Рассмотрим формат кадра:

Преамбула — представляет из себя последовательность битов 10101010… , состоящую из 7 байтов. Преамбула предназначена для синхронизации приемопередатчиков.
SA (Start Delititer) — начальный ограничитель. Состоит из одного байта и представляет из себя последовательность 10101011. Эта комбинация указывает на начало кадра.
Destination address — адрес назначения. Состоит из 6 байт и обозначает MAC-адрес получателя.
Source address — адрес источника. Обозначает MAC-адрес отправителя.
L (Length) — длина. Указывает на длину фрейма для того, что получатель мог правильно предсказать окончание кадра.
DSAP - Destination Service Access Point. 1 байтовое поле. Это точка доступа к сервису системы получателя, которая указывает на то, в каком месте системы получателя буферов памяти следует разместить данные фрейма.
SSAP - Source Service Access Point - так же 1 байтовое поле. Это точка доступа к сервису системы отправителя, которая указывает на то, в каком месте системы отправителя буферов памяти следует разместить данные фрейма.
Control - Управление. Размер поля 1-2 байта. Это поле указывает на тип сервиса, который необходим для данных. В зависимости от того, какой сервис нужно предоставить, поле может быть как 1 так и 2 байта.
Data — данные. Непосредственно сами передаваемые данные. Могут занимать длину от 46 до 1500 байт.
FCS — проверка на наличие ошибок. Представляет из себя контрольную сумму.