Основні характеристики технології Ethernet

Технологія Ethernet — це найпоширеніший на сьогоднішній день стандарт локальних мереж. Загальна число мереж Ethernet на сьогодні оцінюється в 5 мільйонів, а число комп'ютерів зі встановленими мережними адаптерами Ethernet становить більше 50 мільйонів.

Під Ethernet розуміють один з варіантів цієї технології. У вужчому розумінні Ethernet - це мережний стандарт, оснований на експериментальній мережі Ethernet Network, яку розробила фірма Xerox. Фірми DEC, Intel і Xerox спільно розробили й опублікували стандарт Ethernet версії II для мережі на основі коаксіального кабелю, що став останньою версією фірмового стандарту Ethernet. Тому фірмову версію стандарту Ethernet називають стандартом Ethernet DIX чи Ethernet II.

На основі стандарту Ethernet DIX був розроблений стандарт IEEE 802.3, що багато в чому збігається зі своїм попередником. У той час як у стандарті IEEE 802.3 розрізняються рівні МАС і LLC, в оригінальному Ethernet обидва ці рівні об'єднані в єдиний канальний рівень. В Ethernet DIX є протокол тестування конфігурації (Ethernet Configuration Test Protocol), який відсутній у IEEE 802.3. Трохи відрізняється і формат кадру, хоча мінімальні і максимальні розміри кадрів у цих стандартах збігаються.

У залежності від типу фізичного середовища стандарт IEEE 802.3 має різні модифікації: 10Base-5, 10Base-2, 10Base-Т, 10Base-FL, 10Base-FB.

У 1995 році був прийнятий стандарт Fast Ethernet, опис якого є додатковим розділом до основного стандарту 802.3 - розділом 802.3і. Прийнятий у 1998 році стандарт Gigabit Ethernet описаний у розділі 802.3z.

Для передачі двійкової інформації по кабелю для усіх варіантів фізичного рівня технології Ethernet, які забезпечують пропускну здатність 10 Мбіт/с, використовується манчестерський код. Усі види стандартів Ethernet (у тому числі Fast Ethernet і Gigabit Ethernet) використовують той самий метод доступу до середовища передачі даних - метод множинного доступу з розпізнаванням несучої та виявленням колізій (carrier-sense-multiply-access with collision detection, CSMA/CD) .

Цей метод застосовується винятково в мережах з логічною загальною шиною. Усі комп'ютери мережі мають безпосередній доступ до загальної шини, тому вона може бути використана для передачі даних між будь-якими двома вузлами мережі. Всі комп'ютери мережі одночасно (з врахуванням затримки поширення сигналу по фізичному середовищу) одержують дані, які один із комп'ютерів почав передавати на загальну шину (рис. 4.2).

Етапи доступу до середовища

Усі дані, які передаються по мережі, поміщаються у кадри визначеної структури і забезпечуються унікальною адресою станції призначення. Щоб одержати можливість передавати кадр, станція повинна переконатися, що середовище вільне. Це досягається прослуховуванням основної гармоніки сигналу, що також називається несучою частотою (carrier-sense, CS). Ознакою незайнятості середовища є відсутність на ній несучої частоти, що при манчестерському способі кодування дорівнює 5 - 10 Мгц, у залежності від послідовності одиниць і нулів, переданих у даний момент.

Якщо середовище вільне, то вузол має право почати передачу кадру. Цей кадр зображений на рис. 4.2 першим. Вузол 1 виявив, що середовище вільне, і почав передавати свій кадр. У класичній мережі Ethernet на коаксіальному кабелі сигнали передавача вузла 1 поширюються в обидва боки так, що їх одержують усі вузли мережі. Кадр даних завжди супроводжується преамбулою довжиною 7 байт, що складаються зі значень 10101010, і 8-го байта, рівного 10101011. Преамбула потрібна для входження приймача в побітову і побайтову синхронізацію із передавачем.

Випадкова пауза

_тп

_вп

Колізія

(jam)

1

2

3

1

1

Загальна

шина

t

Вузол1

t

Передача Передача

Прослуховування

Вузол2

t

Очікування Передача

М

Вузол3

t

ал.1.

Передача Очікування

Рисунок 4.2 – Метод випадкового доступу CSMA/CD

Усі станції, підключені до кабелю, можуть розпізнати факт передачі кадру. Та станція, яка розпізнала власну адресу в заголовках кадру, записує .його вміст у свій внутрішній буфер, обробляє отримані дані, передає їх нагору по своєму стеку, а потім посилає по кабелю кадр-відповідь. Адреса станції-джерела міститься у вихідному кадрі, тому станція-одержувач знає, кому потрібно послати відповідь.

Вузол 2 під час передачі кадру вузлом 1 також намагався почати передачу свого кадру, однак виявив, що середовище зайняте і змушений чекати, поки вузол 1 припинить передачу кадру.

Після закінчення передачі кадру усі вузли мережі зобов'язані витримати технологічну паузу (Inter Packet Gap) _тп=9,6 мкс. Ця пауза, яка називається також міжкадровим інтервалом, потрібна для приведення мережних адаптерів у вихідний стан, а також для запобігання монопольного захоплення середовища однією станцією. Після закінчення технологічної паузи вузли мають право почати передачу свого кадру, тому що середовище вільне. Через затримки поширення сигналу по кабелі не всі вузли строго одночасно фіксують факт закінчення передачі кадру вузлом 1. У наведеному прикладі вузол 2 дочекався закінчення передачі кадру вузлом 1, зробив паузу тривалістю в 9,6 мкс і почав передачу свого кадру.

Виникнення колізії. При описаному підході можлива ситуація, коли дві станції одночасно пробують передати кадр даних по загальному середовищу. Механізм прослуховування середовища і пауза між кадрами не гарантують від виникнення такої ситуації, коли дві чи більше станції одночасно вирішують, що середовище вільне, і починають передавати свої кадри. Говорять, що при цьому відбувається колізія (collision), тому що вміст обох кадрів зіштовхується на загальному кабелі і відбувається спотворення інформації. Методи кодування, які використовуються в Ethernet, не дозволяють вибирати сигнали кожної станції зі загального сигналу.

Колізія — це нормальна ситуація в роботі мереж Ethernet. У прикладі, показаному на рис. 4.3., колізію породила одночасна передача даних вузлами 3 і 1. Для виникнення колізії не обов'язково, щоб кілька станцій почали передачу абсолютно одночасно, така ситуація малоймовірна. Набагато ймовірніше, що колізія виникає через те, що один вузол починає передачу раніше іншого, але до другого вузла сигнали першого просто не встигають дійти на той час, коли другий вузол вирішує почати передачу свого кадру. Тобто колізії — це наслідок розподіленого характеру мережі.

Щ об коректно обробити колізію, усі станції одночасно спостерігають за сигналами на кабелі. Якщо передані і прийняті сигнали відрізняються, то фіксується виявлення колізії (collision detection, CD). Для збільшення ймовірності якнайшвидшого виявлення колізії всіма станціями мережі станція, яка виявила колізію, перериває передачу свого кадру і підсилює ситуацію колізії посиланням у мережу спеціальної послідовності з 32 біт, яка називається jam-послідовністю.

Після цього передавальна станція, яка виявила колізію, зобов'язана припинити передачу і зробити паузу протягом короткого випадкового інтервалу часу. Після цього вона може знову спробувати захопити середовище передачі. Випадкова пауза _вп вибирається за наступним алгоритмом:

_вп=L*512bt.

В технології Ethernet прийнято всі інтервали вимірювати в бітових інтервалах. Бітовий інтервал позначається як bt і відповідає проміжку часу між появою двох послідовних біт даних на кабелі. Для швидкості 10 Мбіт/с величина бітового інтервалу дорівнює 0,1 мкс чи 100 нс. L - ціле число, обране з рівною ймовірністю з діапазону [0, 2ⁿ], де n — номер повторної спроби передачі даного кадру: 1,2, ..., 10.

Після 10-ої спроби інтервал, з якого вибирається пауза, не збільшується. Таким чином, випадкова пауза може приймати значення від 0 до 52,4 мс. Якщо 16 послідовних спроб передачі кадру викликають колізію, то передавач повинен припинити спроби і відкинути цей кадр.

З опису методу доступу видно, що він носить випадковий характер. Ймовірність успішного одержання у своє розпорядження загального середовища залежить від завантаженості мережі, тобто від інтенсивності виникнення в станціях потреб в передаванні кадрів. При розробці цього методу наприкінці 70-х років вважалося, що швидкість передачі даних у 10Мбіт/с дуже висока в порівнянні з потребами комп'ютерів у взаємному обміні даними. Однак, при використанні сучасних швидкісних комп'ютерів колізії виникають набагато частіше. Для зменшення інтенсивності виникнення колізій потрібно або зменшити трафік, скоротивши, наприклад, кількість вузлів у сегменті, або підвищити швидкість протоколу, наприклад перейти на Fast Ethernet.

Слід зазначити, що метод доступу CSMA/CD взагалі не гарантує станції, що вона коли-небудь зможе одержати доступ до середовища. Звичайно, при невеликому завантаженні мережі ймовірність такої події невелика, але при коефіцієнті використання мережі, що наближається до 1, така подія стає дуже ймовірною.

Час подвійного проходження сигналу і розпізнавання колізій. Чітке розпізнавання колізій усіма станціями мережі є необхідною умовою коректної роботи мережі Ethernet. Якщо яка-небудь передавальна станція не розпізнає колізію і вирішить, що кадр даних нею переданий вірно, то цей кадр даних буде загублений. Через накладання сигналів при колізії інформація кадру спотвориться і він буде відбракований приймаючою станцією (можливо, через неспівпадіння контрольної суми). Швидше за все, перекручена інформація буде повторно передана яким-небудь протоколом верхнього рівня, наприклад транспортним чи прикладним, працюючим зі встановленням з'єднання. Але повторна передача повідомлення протоколами верхніх рівнів відбудеться через значно більший інтервал часу (іноді навіть через кілька секунд) у порівнянні з мікросекундними інтервалами, якими оперує протокол Ethernet. Тому якщо колізії не будуть надійно розпізнаватися вузлами мережі Ethernet, то це приведе до помітного зниження корисної пропускної здатності даної мережі.

Для надійного розпізнавання колізій повинно виконуватися наступне співвідношення:

T_min PDV,

де T_min — час передачі кадру мінімальної довжини, а PDV — час, за який сигнал колізії встигає поширитися до найдальшого вузла мережі.

Так як у гіршому випадку сигнал повинен пройти двічі між найвіддаленішими станціями мережі (в одну сторону проходить неспотворений сигнал, а на зворотному шляху поширюється вже спотворений колізією сигнал), цей час називається часом подвійного проходження (Path Delay Value, PDV).

При виконанні цієї умови передавальна станція повинна встигати виявити колізію, що викликав переданий нею кадр, ще до того, як вона закінчить передачу цього кадру. Очевидно, що виконання цієї умови залежить, з одного боку, від довжини мінімального кадру і пропускної здатності мережі, а з іншого боку, від довжини кабельної системи мережі і швидкості поширення сигналу в кабелі (для різних типів кабелю ця швидкість відрізняється).

Усі параметри протоколу Ethernet підібрані таким чином, щоб при нормальній роботі вузлів мережі колізії завжди чітко розпізнавалися. При виборі параметрів, звичайно, враховувалося і наведене вище співвідношення, яке пов'язує між собою мінімальну довжину кадру і максимальну відстань між станціями в сегменті мережі.

У стандарті Ethernet прийнято, що мінімальна довжина даних кадру становить 46 байт (що разом зі службовими полями дає мінімальну довжину кадру 64 байти, а разом із преамбулою - 72 байти чи 576 біт). Звідси може бути визначене обмеження на відстань між станціями.

У 10-мегабітній мережі Ethernet час передачі кадру мінімальної довжини рівний 575 бітових інтервалів. Отже, час подвійного проходження повинен бути меншим 57,5 мкс. Відстань, що сигнал може пройти за цей час, залежить від типу кабелю і для товстого коаксіального кабелю рівна приблизно 13280 м. Враховуючи те, що за цей час сигнал повинен пройти по лінії зв'язку двічі, відстань між двома вузлами не повинна бути більшою 6635 м. У стандарті 802.3 ця відстань обрана істотно меншою, з врахуванням інших, більш строгих обмежень.

Одне з таких обмежень пов'язане з гранично припустимим затуханням сигналу. Для забезпечення необхідної потужності сигналу при його проходженні між найвіддаленішими станціями максимальна довжина сегмента товстого коаксіального кабелю вибрана рівною 500 м. Очевидно, що на кабелі довжиною 500 м умова розпізнавання колізій буде виконуватися з великим запасом для кадрів будь-якої стандартної довжини, у тому числі і 72 байти (час подвійного проходження по кабелі довжиною 500 м складає лише 43,3 бітових інтервали). Тому мінімальна довжина кадру могла б бути встановлена ще меншою. Однак, стандарт враховує мережі, що будуються з декількох сегментів, з'єднаних повторювачами.

Повторювачі збільшують потужність переданих із сегмента на сегмент сигналів і в результаті можна використовувати мережі набагато більшої довжини, які складаються з декількох сегментів. У коаксіальних реалізаціях Ethernet стандарт 802.3 обмежує максимальну кількість сегментів у мережі п'ятьма, що у свою чергу обмежує загальну довжину мережі 2500 метрами. Навіть у такій багатосегментній мережі умова виявлення колізій як і раніше виконується з великим запасом. Однак, реально часовий запас є істотно меншим, оскільки у багатосегментних мережах самі повторювачі вносять у поширення сигналу додаткову затримку в кілька десятків бітових інтервалів. Природно, невеликий запас був зроблений також для компенсації відхилень параметрів кабелю і повторювачів.

У результаті врахування всіх цих і деяких інших факторів було ретельно підібране співвідношення між мінімальною довжиною кадру і максимально можливою відстанню між станціями мережі, що забезпечує надійне розпізнавання колізій. Цю відстань називають також максимальним діаметром мережі.

У табл. 4.1 наведені значення основних параметрів процедури передачі кадру стандарту 802.3, що не залежать від реалізації фізичного середовища.

Таблиця 4.1 – Параметри рівня МАС Ethernet

Параметри

Значення

Бітова швидкість Інтервал відтермінування Міжкадровий інтервал (IPG) Максимальне число спроб передачі Мінімальне число зростання діапазону паузи Довжина jam-послідовності Максимальна довжина кадру (без преамбули) Мінімальна довжина кадру (без преамбули) Довжина преамбули Мінімальна довжина випадкової паузи після колізії Максимальна довжина випадкової паузи після колізії Максимальна віддаль між станціями мережі Максимальне число станцій у мережі

10 Мбіт/сек 512 бітових інтервалів 9,6 мкс 16 10 32 біти 1518 байт 64 байти (512 біт) 64 біти 0 бітових інтервалів 524 000 бітових інтервалів 2500 м 1024

Важливо відзначити, що кожен варіант фізичного середовища технології Ethernet додає до цих обмежень свої, часто більш строгі обмеження, що також повинні виконуватися і які будуть розглянуті нижче.

Максимальна продуктивність мережі Ethernet. Кількість кадрів Ethernet, які обробляються за секунду, часто зазначається виробниками мостів/комутаторів і маршрутизаторів як основна характеристика продуктивності цих пристроїв. У свою чергу, важливо знати чисту максимальну пропускну здатність сегмента Ethernet у кадрах за секунду в ідеальному випадку, коли в мережі немає колізій і немає додаткових затримок, які вносяться мостами і маршрутизаторами. Такий показник допомагає оцінити вимоги до продуктивності комунікаційних пристроїв, тому що в кожен порт пристрою не може надходити більше кадрів за одиницю часу, ніж дозволяє це зробити відповідний протокол.

Використовуючи параметри, наведені в табл. 4.1, розрахуємо максимальну продуктивність сегмента Ethernet у таких одиницях, як число переданих кадрів (пакетів) мінімальної довжини за секунду. При цьому терміни кадр і пакет використовуються як синоніми. Відповідно, аналогічними є й одиниці виміру продуктивності.

Розмір кадру мінімальної довжини разом з преамбулою складає 72 байти чи 576 біт, тому на його передачу затрачається 57,5 мкс. Додавши міжкадровий інтервал 9,6 мкс, одержуємо, що період проходження кадрів мінімальної довжини складає 67,1 мкс. Звідси максимально можлива пропускна здатність сегмента Ethernet складає 14880 кадр/с.

Природно, що наявність у сегменті декількох вузлів знижує цю величину за рахунок чекання доступу до середовища. Це стосується і колізій, які приводять до необхідності повторної передачі кадрів.

Кадри максимальної довжини технології Ethernet мають поле довжиною 1500 байт, що разом зі службовою інформацією дає 1518 байт, а з преамбулою складає - 1526 байт чи 12208 біт. Максимально можлива пропускна здатність сегмента Ethernet для кадрів максимальної довжини складає 813 кадр/с.

Очевидно, що при роботі з великими кадрами навантаження на мости, комутатори і маршрутизатори досить відчутно знижується.

Тепер розрахуємо, якою максимальною корисною пропускною здатністю в бітах за секунду володіють сегменти Ethernet при використанні кадрів різного розміру.

Під корисною пропускною здатністю протоколу розуміють швидкість передачі даних, що переносяться полем даних кадру. Ця пропускна здатність завжди менша номінальної бітової швидкості протоколу Ethernet за рахунок декількох факторів: службової інформації кадру; міжкадрових інтервалів і чекання доступу до середовища.

Для кадрів мінімальної довжини корисна пропускна здатність дорівнює:

С_п = 14880 х 46 х 8 = 5,48 Мбіт/с.

Це набагато менше 10 Мбіт/с, але варто врахувати, що кадри мінімальної довжини використовуються в основному для передачі квитанцій, так що до передачі власне даних файлів ця швидкість відношення не має.

Для кадрів максимальної довжини корисна пропускна здатність дорівнює:

С_п = 813 х 1500 х 8 = 9,76 Мбіт/с,

що дуже близько до номінальної швидкості протоколу.

Ще раз підкреслимо, що такої швидкості можна досягти тільки тоді, коли двом взаємодіючим вузлам у мережі Ethernet інші вузли не заважають, про буває вкрай рідко.

При використанні кадрів середнього розміру з полем даних довжиною 512 байт пропускна здатність мережі складає 9,29 Мбіт/с, що теж досить близько до граничної пропускної здатності в 10 Мбіт/с.

При відсутності колізій і чекання доступу коефіцієнт використання залежить від розміру поля даних кадру і має максимальне значення 0,976 при передачі кадрів максимальної довжини. Очевидно, що в реальній мережі Ethernet середнє значення коефіцієнта використання мережі може значно відрізнятися від цієї величини.