Начало Локальные сети

Локальные сети Ethernet

Наиболее популярная на настоящий момент технология построения локальных вычислительных сетей — Ethernet — была разработана специалистами Palo Alto Research Center (PARC) корпорации Xerox в середине 1970 годов. К промышленной реализации спецификация Ethernet была подготовлена членами консорциума DIX (DEC, Intel, Xerox). Эта спецификация была принята за основу при разработке спецификации IEEE 802.3, которая появилась в 1980 году. Вскоре после этого Digital Equipment Corporation, Intel Corporation и Xerox Corporation объединенными усилиями создали собственную спецификацию, которая была совместимой с IEEE 802.3 и получила название Ethernet II.

Компоненты и принципы построения сетей Ethernet

Для передачи данных по локальной сети Ethernet использует алгоритм Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD).

Процедура доступа к среде передачи

Процедура CSMA/CD построена на двух основных принципах:

• контроль несущего сигнала (Carrier Sense);
• обнаружение коллизий (Collision Detect).

Коллизия (Collision) — искажение передаваемых данных в сети Ethernet, которое возникает при одновременной передаче несколькими рабочими станций.

Существуют две основных причины возникновения коллизий в сети Ethernet:

• Наличие неисправной NIC (Network Interface Card) у одного или нескольких абонентов сети;
• Наличие задержки распространения сигнала по сети Ethernet.

Основной причиной возникновения штатных коллизий является конечная скорость распространения электрического сигнала через среду передачи данных Ethernet.

Задержка распространения сигнала в сегменте (Propagation Delay) — это интервал времени, отделяющий момент начала процесса передачи данных абонентом, который размещен на одном окончании сегмента сети от момента начала приема данных абонентом, который размещен на другом окончании сегмента сети.

При обнаружении коллизии рабочая станция прекращает передачу кадра данных и начинает передавать специальный сигнал «Jam», для того, чтобы указать получателю на возникновение коллизии. Сигнал Jam представляет собой специальную кодовую посылку, которая состоит из 32 бит

Наиболее неблагоприятной с точки зрения возникновения коллизии является ситуация, когда одна станция уже завершила передачу кадра, но переданный кадр из-за задержки распространения сигнала в линии ещё не дошел до другой станции, которая тоже начинает выполнять  передачу своего кадра. Для того чтобы избежать возникновения подобных ситуаций, все станции должны быть размещены внутри так называемого коллизионного домена.

Коллизионный домен (Collision Domain) — виртуальная область в пределах сегмента локальной сети. Задержка распространения сигнала между любыми двумя станциями, которые принадлежат данной области, не должна превышать установленного значения - диаметра коллизионного домена.

Значение диаметра коллизионного домена обычно определяется в единицах времени и соответствует удвоенному времени передачи кадра минимальной длины для данного типа сети Ethernet. Диаметр коллизионного домена может быть вычислен следующим образом:

D = 2 * <минимальная длина кадра> * 0.1 мксек = 51.2 мксек

При нормальном функционировании всех компонентов этой сети  коллизия может возникнуть  только в пределах определенного временного интервала, который называется окном коллизий (collision window).

Поздней коллизией (Late Collision, Out Of Window Collision) называется ситуация, при которой коллизия возникает за пределами окна коллизий.

Для уменьшения вероятности возникновения повторных коллизий применяется процедура регулирования задержки повторной передачи «Truncated Binary Exponential Back off Algorithm (TBEBO)».

Уровни информационного взаимодействия Ethernet

Информационное взаимодействие в сети Ethernet осуществляется на двух уровнях, которые соответствуют физическому и канальному уровню эталонной модели OSI.

Взаимодействие на физическом уровне сети Ethernet

Взаимодействие на физическом уровне в свою очередь также разделено на четыре дополнительных уровня:

• PLS Physical Layer Signaling;
• AUI Attachment User Interface;
• PMA Physical Medium Attachment;
• MDI Medium Dependent Interface.

Наличие такой, достаточно сложной внутренней структуры у физического уровня взаимодействия сети Ethernet объясняется особенностями построения первой реализации сети Ethernet в компании Xerox. В качестве физической среды передачи данных в первой реализации сети  использовался толстый коаксиальный кабель, который имел диаметр центрального проводника около 2 миллиметров, наружный диаметр кабеля — около 10 миллиметров. Для подключения рабочей станции к сети использовались следующие устройства и компоненты:

• Коннектор (TAP);
• Трансивер (Media Access Unit - MAU);
• AU Attachment Unit-кабель;
• Контроллер – адаптер рабочей станции.

Формат представления данных на физическом уровне Ethernet (PLS)

Принцип формирования линейного кода сети Ethernet соответствует принципу формирования кода Манчестер-2 – единица последовательного кода кодируется положительным, а ноль – отрицательным перепадом выходного напряжения.

В таблице, которая представлена ниже, приведены значения максимальных длин сегмента для различных вариантов реализации сети Ethernet.

Интерфейс подключения пользователя (AUI)

Интерфейс AUI использовался в классическом варианте Ethernet для подключения адаптера абонента к трансиверу, который был механически связан со средой передачи Ethernet толстым коаксиальным кабелем. Кабель, который соединял трансивер с адаптером, состоял из пяти экранированных витых пар, которые были снабжены общим экраном. Две сигнальных пары использовались для непосредственной передачи данных между трансивером и адаптером.

Интерфейс доступа к среде передачи данных(MDI)

Один из механизмов, который предназначен для обеспечения равномерного доступа, определяется процедурой inter frame gap (интервал между кадрами). Для сетей 10 Мбит/сек величина IFG составляет 9.6 микросекунд. На этом уровне могут быть определены процедуры обнаружения коллизии и определяются основные параметры сети Ethernet такие, как максимальная длина сети, максимальная длина сегмента сети, минимальное расстояние между станциями, и т.д.

Процедура TBEB

Процедура TBEB используется для уменьшения вероятности возникновения повторных коллизий.

T_defer=T_CD*R, где

T_defer – величина интервала времени отсрочки повторной передачи
T_CD - размер коллизионного домена или окна коллизий для данного варианта реализации Ethernet.
R – целое число, которое выбирается случайным образом из диапазона {0,2^min(10,N)-1}
N - номер последовательной коллизии {1,16}

Процедура SQE (CPT) Test

Данная процедура имеет длинную историю возникновения и несколько названий: Collision Presence Test (CPT) — проверка реакции на коллизию, heartbeat — сердцебиение, Signal Quality Error (SQE) test — проверка качества сигнала. Первоначально она получила название «CPT» появилась во второй спецификации Ethernet. При нормальном функционировании адаптера и трансивера индикатор коллизии на сетевом адаптере должен подмигивать после передачи каждого кадра, что и послужило поводом для появления названия данного теста – heart beat. При разработке комитетом IEEE спецификации 802.3 эта процедура также была включена, однако, при этом она изменила своё название на «SQE Test».

Следует отметить, что эта процедура не может быть использована на некоторых сетевых устройствах. Если трансивер, который подключен к репитеру в процессе выполнения процедуры «SQE Test» сформирует сигнал коллизии, репитер обязан будет отреагировать на него также как и на обычный сигнал коллизии – он должен будет разослать сигнал JAM во все подключенные сегменты. Чтобы избежать этой ситуации, трансиверы и конвертеры среды передачи снабжены специальным переключателем, который позволяет отменить использование процедуры «SQE Test» на данном устройстве. На трансиверах, которые подключены к сетевым адаптерам (стандарты Ethernet-2 или IEEE 802.3) рабочих станций, этот переключатель должен быть включен.

Вернуться к оглавлению

Следующая лекция Взаимодействие на физическом и канальном уровне Ethernet и IEEE 802.3

• CSMA/CD
• Charles Spurgeon's Ethernet (IEEE 802.3) Web Site
• SQE Test (AKA Heartbeat and CPT)