Побудова мереж за технологією ethernet 1000base t. Формати кадрів технології Ethernet. Специфікація фізичного середовища Ethernet

EtherNet стандарт IEEE 802.3

Це найпоширеніший на сьогодні стандарт технології мережі.

особливості:

працює з коаксіальним кабелем, витою парою, оптичними кабелями;
топологія – шина, зірка;
Метод доступу – CSMA/CD.

Архітектура мережевий технології EthernetПрактично об'єднує цілий набір стандартів, мають як спільні риси, і відмінності.

Технологія Ethernet була розроблена разом із багатьма першими проектами корпорації Xerox PARC. Загальноприйнято вважати, що Ethernet був винайдений 22 травня 1973, коли Роберт Меткалф склав доповідну записку для глави PARC про потенціал технології Ethernet. Але законне право на технологію Меткалф отримав за кілька років. У 1976 році він та його помічник Девід Боггс видали брошуру під назвою «Ethernet: Distributed Packet Switching For Local Computer Networks». Меткалф пішов з Xerox в 1979 році і заснував компанію 3Com для просування комп'ютерів та локальних обчислювальних мереж. Йому вдалося переконати DEC, Intel та Xerox працювати спільно та розробити стандарт Ethernet (DIX). Вперше цей стандарт було опубліковано 30 вересня 1980 року.

Подальший розвиток технології EtherNet:

1982-1993 розробка 10Мбіт/с EtherNet;
1995-1998 розробка Fast EtherNet;
1998-2002 Розробка GigaBit EtherNet;
2003-2007 розробка 10GigaBit EtherNet;
2007-2010 розробка 40 та 100GigaBit EtherNet;
2010 до сьогодні розробка Terabit Ethernet.

На рівні MAC, який забезпечує доступ до середовища та передачі кадру, для ідентифікації мережних інтерфейсів вузлів мережі використовуються регламентовані стандартом унікальні 6-байтові адреси, які називають MAC-адресами. Зазвичай MAC-адреса записується у вигляді шести пар шістнадцяткових цирф, розділених тире або двокрапками, наприклад 00-29-5E-3C-5B-88. Кожен мережевий адаптер має MAC-адресу.

Структура MAC-адреси Ethernet:

перший біт MAC-адреси одержувача називається бітом I/G (individual/group або широкомовним). На адресі джерела він називається індикатором маршруту від джерела (Source Route Indicator);
другий біт визначає спосіб призначення адреси;
три старші байти адреси називаються захисною адресою (Burned In Address, BIA) або унікальним ідентифікатором організації (Organizationally UniqueIdentifier, OUI);
за унікальність молодших трьох байт адреси відповідає виробник.

Деякі мережеві програми, зокрема wireshark, можуть відразу відображати замість коду виробника - назву фірми виробника цієї карти.

Формат кадру технології EtherNet

У мережах Ethernet існує 4 типи кадрів (кадрів):

кадр 802.3/LLC (або кадр Novell802.2),
кадр Raw 802.3 (або кадр Novell 802.3),
кадр Ethernet DIX (або кадр Ethernet II),
кадр Ethernet SNAP.

На практиці в обладнанні EtherNet використовується лише один формат кадру, а саме кадр EtherNet DIX, який іноді називають кадром за номером останнього стандарту DIX.

Перші два поля заголовка відведені за адресами:

DA (Destination Address) – MAC-адреса вузла призначення;
SA (Source Address) – MAC-адреса вузла відправника. Для доставки кадру достатньо однієї адреси – адреси призначення, адреса джерела міститься у кадр у тому, щоб вузол, який отримав кадр, знав, від кого прийшов кадр і кому треба відповісти.

Поле T (Type) містить умовний код протоколу верхнього рівня, дані якого знаходяться в полі даних кадру, наприклад, шістнадцяткове значення 08-00 відповідає проколу IP. Це поле необхідне підтримки інтерфейсних функцій мультиплексування і демультиплексування кадрів при взаємодії з протоколами верхніх рівнів.
Поле даних. Якщо довжина даних користувача менше 46 байт, це поле доповнюється до мінімального розміру байтами заповнення.
Поле контрольної послідовності кадру (Frame Check Sequence, FCS) складається з 4 байт контрольної суми. Це значення обчислюється за алгоритмом CRC-32.

Кадр EtherNet DIX (II) не відображає поділу канального рівня EtherNet на рівень MAC і рівень LLC: його поля підтримують функції обох рівнів, наприклад, інтерфейсні функції поля T відносяться до функцій рівня LLC, тоді як всі інші поля підтримують функції рівня MAC.

Розглянемо формат кадру EtherNet II на прикладі перехопленого пакета за допомогою мережевого аналізатора Wireshark

Зверніть увагу, що оскільки MAC адреса складається з коду виробника та номера інтерфейсу, то мережевий аналізатор відразу перетворює код виробника на назву фірми-виробника.

Таким чином, у технології EtherNet як адреса призначення та адреси одержувача виступають MAC адреси.

Стандарти технології Ethernet

Фізичні специфікації технології Ethernet включають такі середовища передачі.

l0Base-5 - коаксіальний кабель діаметром 0,5 дюйма (1дм = 2,54см), званий "товстим" коаксіальним кабелем, з хвильовим опором 50Ом.
l0Base-2 – коаксіальний кабель діаметром 0,25 дюйма, званий «тонким» коаксіальним кабелем, з хвильовим опором 50Ом.
l0Base-T - кабель на основі неекранованої кручений пари (Unshielded Twisted Pair, UTP), категорії 3,4,5.
l0Base-F – волоконно-оптичний кабель.

Число 10 позначає номінальну бітову швидкість передачі даних стандарту, тобто 10Мбіт/с а слово "Base" - метод передачі на одній базовій частоті. Останній символ означає тип кабелю.

Кабель використовується як моноканал всім станцій, максимальна довжина сегмента 500м. Станція підключатися до кабелю через приймач - трансівер. Трансівер з'єднується з адаптером мережного роз'єму DB-15 інтерфейсним кабелем AUI. Потрібна наявність термінаторів на кожному кінці, для поглинання сигналів, що поширюються по кабелю.

Правила "5-4-3" для коаксіальних мереж:

Стандарт мереж на коаксіальному кабелі дозволяє використання в мережі не більше 4 повторювачів та, відповідно, не більше 5 сегментів кабелю. При максимальній довжині сегмента кабелю 500 м це дає максимальну довжину мережі 500*5=2500 м. Тільки 3 сегменти з 5 можуть бути навантаженими, тобто такими, до яких підключаються кінцеві вузли. Між навантаженими сегментами мають бути ненавантажені сегменти.

l0Base-2

Кабель використовується як моноканал для всіх станцій, максимальна довжина сегмента 185 м. Для підключення кабелю до мережевий картіпотрібен T-конектор, а на кабелі має бути BNC-конектор.

Також використовується правило 5-4-3.

l0Base-T

Утворює зіркоподібну топологію на основі концентратора, концентратор здійснює функцію повторювача та утворює єдиний моноканал, максимальна довжина сегмента 100м. Кінцеві вузли з'єднуються за допомогою двох кручених пар. Одна пара передачі даних від вузла до концентратора - Tx, а інша передачі даних від концентратора до вузла – Rx.
Правила «4-х хабів» для мереж на основі крученої пари:
У стандарті мереж на кручений парі визначено максимальну кількість концентраторів між будь-якими двома станціями мережі, а саме 4. Це правило носить назву «правила 4-х хабів». Вочевидь, що й між будь-якими двома вузлами мережі має бути більше 4-х повторювачів, то максимальний діаметр мережі з урахуванням кручений пари становить 5*100 = 500 м (максимальна довжина сегмента 100м).

10Base-F

Функціонально мережа Ethernet на оптичному кабелі складається з тих самих елементів, що й мережа стандарту 10Base-T

Стандарт FOIRL (Fiber Optic Inter-Repeater Link) – перший стандарт комітету 802.3 для використання оптоволокна в мережах Ethernet. Мах довжина сегмента 1000м, мах число хабів 4, за загальної довжини мережі трохи більше 2500 м.

Стандарт 10Base-FL незначне покращення стандарту FOIRL. Мах довжина сегмента 2000 м. Максимальне число хабів 4 а максимальна довжина мережі - 2500 м.

Стандарт 10Base-FB призначений лише для з'єднання повторювачів. Кінцеві вузли не можуть використовувати цей стандарт для приєднання до портів концентратора. Мах число хабів 5, мах довжина одного сегмента 2000 м-коду і максимальної довжині мережі 2740 м-коду.

Таблиця. Параметри специфікацій фізичного рівня для стандарту Ethernet

При розгляді правила "5-4-3" або "4-х хабів", у разі появи на шляху розповсюдження по кабелях уявного сигналу пристрою типу "свіч", розрахунок топологічних обмежень починається з нуля.

Пропускна спроможність мережі Ethernet

Пропускна здатність оцінюється через кількість кадрів чи кількість байт даних, переданих через мережу за одиницю часу. Якщо мережі не відбуваються колізії, максимальна швидкість передачі кадрів мінімального розміру(64 байти) становить 14881 кадрів на секунду. При цьому корисна пропускна здатністьдля кадрів Ethernet II – 5.48 Мбіт/с.

Максимальна швидкість передачі кадрів максимального розміру (1500 байт) становить 813 кадрів за секунду. Корисна пропускна здатність при цьому становитиме 9.76 Мбіт/с.

1000Base-X

Специфікація 1000BASE-X передбачає використання середовища у вигляді оптичних волокон. В основі цього стандарту лежить технологія, заснована на стандарті ANSI Fibre Channel (ANSI X3T11).

Технологія 1000BASE-X припускає використання трьох різних середовищпередачі, звідси три різновиди: 1000BASE-SX, 1000BASE-LX та 1000BASE-CX.

1000Base-SX

Найчастіше використовувана та найдешевша технологія на основі стандартного багатомодового волокна. Максимальна відстань для 1000BASE-SX складає 220 метрів. Використовується довжина хвилі 850 нм, S означає Short Wavelength – коротка хвиля.

Очевидно, що це значення може досягатися тільки при повнодуплексної передачі даних, оскільки час подвійного обороту сигналу на двох відрізках по 220 метрів дорівнює 4400 bt, що перевищує межу 4095 bt навіть без урахування повторювача та мережевих адаптерів. Для напівдуплексної передачі максимальні значення сегментів оптоволоконного кабелю завжди повинні бути меншими за 100 метрів.

1000Base-LX

Технологія 1000BASE-LX зазвичай використовується з одномодовими волокнами, тут допустима відстань становить 5 кілометрів. Специфікація 1000Base-LX може працювати на багатомодовому кабелі. У цьому випадку гранична відстань виходить невеликою – 550 метрів.

Для специфікації 1000Base-LX як джерело випромінювання завжди застосовується напівпровідниковий лазер із довжиною хвилі 1300 нм.

1000Base-СX

Технологія 1000BASE-CX використовує найбільш своєрідне середовище із трьох. Це засноване на застосуванні рішення, в якому використовуються кабелі, виконані на основі закручених (precrimped) екранованих кручених пар.

З'єднувач - не простий RJ-45, який зазвичай використовується в 10/100/1000Base-T. Замість нього використовується DB-9 або HSSDS, які завершують дві пари проводів. Технологія 1000BASE-CX працює на відстані до 25 м, що обмежує її застосування невеликими площами.

1000Base-T

Специфікація 1000Base-T працює по кручений парі категорії 5.

Кожна пара кабелю категорії 5 має гарантовану смугу пропускання до 100 МГц. Для передачі таким кабелем даних зі швидкістю 1000 Мбіт/с було вирішено організувати паралельну передачу одночасно по всіх 4 парах кабелю.

Це відразу зменшило швидкість передачі по кожній парі до 250 Мбіт/с.

Для кодування даних було застосовано код РАМ5, що використовує 5 рівнів потенціалу: -2, -1, 0, +1, +2. Тому за один такт однієї пари передається 2,322 біт інформації. Отже, тактову частоту замість 250 МГц можна зменшити до 125 МГц. При цьому, якщо використовувати не всі коди, а передавати 8 біт за такт (по 4 парам), то витримується необхідна швидкість передачі в 1000 Мбіт/с і залишається запас невикористовуваних кодів, так як код РАМ5 містить 5 4 = 625 комбінацій, а якщо передавати за один такт по всіх чотирьох парах 8 біт даних, то для цього потрібно лише 28 = 256 комбінацій. Комбінації, що залишилися, приймач може використовувати для контролю прийнятої інформації і виділення правильних комбінацій на тлі шуму. Код РАМ5 на тактовій частоті 125 МГц укладається у смугу 100 МГц кабелю категорії 5.

Для розпізнавання колізій та організації повнодуплексного режиму в специфікації застосовується техніка, при якій обидва передавачі працюють назустріч один одному по кожній з 4-х пар в тому самому діапазоні частот, оскільки використовують один і той же потенційний код РАМ5 (рис. 12) . Схема гібридної розв'язки Н дозволяє приймачеві і передавачу одного і того ж вузла використовувати одночасно кручена параі для прийому та передачі.

Малюнок 12. Двонаправлена передача по 4 парам UTP cat5 у Gigabit

Для відділення прийнятого сигналу від свого приймача віднімає з результуючого сигналу відомий йому свій сигнал. Це не проста операція і для її виконання використовуються спеціальні цифрові сигнальні процесори – DSP (Digital Signal Processor).

Виділимо три головні елементи стандарту: формат кадру, систему сигналізації між робочими станціями при здійсненні передачі даних за протоколом CSMA/CD та набір фізичних середовищ: коаксіальний кабель, кручена пара, волоконно-оптичний кабель.

Формат кадру Ethernet

На рис. 7-2 показано формат кадру Ethernet. Поля мають такі призначення:
— Преамбула: 7 байт, кожен із яких представляє чергування одиниць і нулів 10101010. Преамбула дозволяє встановити бітову синхронізацію на приймальній стороні.
- Обмежувач початку кадру (SFD, start frame delimiter): 1 байт, послідовність 10101011. вказує, що далі будуть інформаційні поля кадру. Цей байт можна відносити до преамбули.
- Адреса призначення (DA, destination address): 6 байт, вказує МАС-адресу станції (МАС-адреса станцій), для якої (яких) призначений цей кадр. Це може бути єдина фізична адреса (unicast), групова адреса (multicast) або широкомовна адреса (broadcast).
- Адреса відправника (SA, source address): б байт, вказує МАС-адресу станції, яка посилає кадр.
— Поле типу чи довжини кадру (Т or L, type or length): 2 байти. Існують два базові формати кадру Ethernet (в англійській термінології raw formats -сирі формати) -EthernetII і IEEE 802.3 (рис. 7.2), причому різне призначення у них має саме поле, що розглядається. Для кадру EthernetII у цьому полі міститься інформація про тип кадру. Нижче наведено значення у шістнадцятковій системі цього поля для деяких поширених мережевих протоколів: 0х0800 для IP, 0х0806 для ARP, 0х809В для AppleTalk, 0х0600 для XNS, та 0х8137 для IPX/SPX. Із зазначенням у цьому полі конкретного значення (одного з перерахованих) кадр набуває реального формату, і в такому форматі кадр може поширюватися по мережі.
- Для кадру IEEE 802,3 у цьому полі міститься виражений у байтах розмір наступного поля – поля даних (LLC Data). Якщо ця цифра призводить до загальної довжини кадру менше 64 байт, за полем LLC Data додається поле Pad. Для протоколу вищого рівня не виникає плутанини з визначенням типу кадру, так як для кадру IEEE 802.3 значення цього поля не може перевищувати 1500 (0x05DC). Тому в одній мережі можуть вільно співіснувати обидва формати кадрів, більше того, один мережевий адаптер може взаємодіяти з обома типами за допомогою стека протоколів.
- Дані (LLC Data): поле даних, яке обробляється підрівнем LLC. Сам собою кадр IEEE 802.3 ще остаточний. Залежно від значень перших кількох байт цього поля, можуть бути три остаточні формати цього кадру IEEE 802.3:
- Ethernet_802.3 (не стандартний, нині застаріваючий формат, що використовується Novell) - перші два байти LLC Data рівні 0xFFFF;
- EthernetSNAP (стандартний IEEE 802.2 SNAP формат, якому надається найбільша перевага в сучасних мережах, особливо для протоколу TCP/IP) - перший байт LLC Data дорівнює 0хАА;
- Ethernet_802.2 (стандартний IEEE 802.2 формат, використовується фірмою Novell в NetWare 4.0) - перший байт LLC Data не дорівнює ні 0xFF (11111111), ні 0хАА (10101010).

Додаткове поле (pad – наповнювач) – заповнюється тільки в тому випадку, коли поле даних невелике, з метою подовження довжини кадру до мінімального розміру 64 байти – преамбула не враховується. Обмеження знизу на мінімальну довжину кадру необхідне правильного дозволу колізій.

Контрольна послідовність кадру (FCS, frame check sequence): 4-байтове поле, в якому вказується контрольна сума, обчислена з використанням циклічного надлишкового коду поля кадру, за винятком преамбул SDF і FCS.

Мал. 7.2. Два базові MAC формати кадру Ethernet

Основні варіанти алгоритмів випадкового доступу до середовища

Протокол CSMA/CD визначає характер взаємодії робочих станцій у мережі з єдиною загальною всім пристроїв середовищем передачі. Усі станції мають рівноправні умови передачі даних. Ні певної послідовності, відповідно до якої станції можуть отримувати доступ до середовища для здійснення передачі. Саме в цьому сенсі доступ до середовища здійснюється випадковим чином. Реалізація алгоритмів випадкового доступу є значно простішим завданням, ніж реалізація алгоритмів детермінованого доступу. Оскільки в останньому випадку потрібен або спеціальний протокол, який контролює роботу всіх пристроїв мережі (наприклад, протокол обігу маркера, властивий мережам Token Ring і FDDI), або спеціальний виділений пристрій-майстер концентратор, який у певній послідовності надавав би решті станцій можливість передавати (мережі Arcnet, 100VG AnyLAN).

Однак мережа з випадковим доступом має один, мабуть головний недолік — це не зовсім стійка робота мережі при великій завантаженості, коли може проходити досить великий час, перш ніж цій станції вдається передати дані. Виною тому колізії, які виникають між станціями, що почали передачу одночасно або майже одночасно. При виникненні колізії дані, що передаються, не доходять до одержувачів, а передавальним станціям доводиться повторно відновлювати передачу.

Дамо визначення: безліч всіх станцій мережі, одночасна передача будь-якої пари з яких призводить до колізії, називається колізійним доменом (collision domain). Через колізію (конфлікт) можуть виникати непередбачувані затримки при поширенні кадрів по мережі, особливо при великій завантаженості мережі (багато станцій намагаються одночасно передавати всередині колізійного домену, > 20-25), і при великому діаметрі колізійного домену (> 2 км). Тому при побудові мереж бажано уникати таких екстремальних режимів роботи.

Проблема побудови протоколу, здатного найбільш раціонально вирішувати колізії, та оптимізує роботу мережі при великих завантаженнях, була однією з ключових на етапі формування стандарту Ethernet IEEE 802.3. Спочатку розглядалися три основні підходи як кандидати для реалізації стандарту випадкового доступу до середовища (рис. 7.3): непостійний, 1-постійний та р-постійний.

Мал. 7.3. Алгоритми множинного випадкового доступу (CSMA) та витримка часу у конфліктній ситуації (collision backoff)

Непостійний (nonpersistent) алгоритм. У цьому алгоритмі станція, яка бажає передавати, керується такими правилами.

1. Прослуховує середовище, і, якщо середовище вільне (тобто якщо немає іншої передачі чи немає сигналу колізії), передає, інакше — середовище зайняте -переходить до кроку 2.
2. Якщо середовище зайняте, чекає випадковий (відповідно до певної кривої розподілу ймовірностей) час і повертається до кроку 1.

Використання випадкового значення очікування при зайнятому середовищі зменшує ймовірність утворення колізій. Справді, припустимо інакше, що дві станції практично одночасно зібралися передавати, тоді як третя вже здійснює передачу. Якщо перші дві не мали б випадкового часу очікування перед початком передачі (у разі, якщо середовище виявилося зайнятим), а тільки прослуховували середовище і чекали, коли воно звільниться, то після припинення передачі третьою станцією перші дві почали б передавати одночасно, що неминуче наводило б до колізій. Таким чином, випадкове очікування усуває можливість утворення таких колізій. Однак незручність цього методу проявляється у неефективному використанні смуги пропускання каналу. Оскільки може статися, що до того моменту, коли середовище звільниться, станція, яка бажає передавати, ще продовжуватиме очікувати деякий випадковий час, перш ніж наважиться прослуховувати середовище, оскільки перед цим уже прослуховувала середовище, яке виявилося зайнятим. У результаті канал простоюватиме якийсь час, навіть якщо тільки одна станція очікує передачі.

1-постійний (1-persistent) алгоритм. Для скорочення часу, коли середовище не зайняте, міг би використовуватися 1-постійний алгоритм. У цьому алгоритмі станція, яка бажає передавати, керується такими правилами.

1. Прослуховує середовище, і, якщо середовище не зайняте, передає, інакше переходить до кроку 2;
2. Якщо середовище зайняте, продовжує прослуховувати середовище доти, доки середовище не звільниться, і, як тільки середовище звільняється, відразу починає передавати.

Порівнюючи непостійний і 1-постійний алгоритми, можна сказати, що в 1-постійному алгоритмі станція, що бажає передавати, поводиться більш егоїстично. Тому, якщо дві або більше станцій очікують на передачу (чекають, поки не звільниться середовище), колізія, можна сказати, буде гарантована. Після колізії станції починають вирішувати, що робити далі.

Р-постійний (p-persistent) алгоритм. Правила цього алгоритму такі:
1. Якщо середовище вільне, станція з ймовірністю р відразу ж починає передачу або з ймовірністю (1-р) чекає протягом інтервалу часу Т. Інтервал Т зазвичай береться рівним максимальному часу поширення сигналу з кінця в кінець мережі;
2. Якщо середовище зайняте, станція продовжує прослуховування доти, доки середовище не звільниться, потім переходить до кроку 1;
3. Якщо передачу затримано на один інтервал Т, станція повертається до кроку 1.

І тут постає питання вибору найефективнішого значення параметра нар. Головна проблема, як уникнути нестабільності при високих завантаженнях. Розглянемо ситуацію, коли n станцій мають намір передати кадри, тоді як вже йде передача. По закінченні передачі очікувана кількість станцій, які спробують передавати, буде дорівнювати кількості охочих передавати станцій на ймовірність передачі, тобто пр. Якщо np > 1, то в середньому кілька станцій намагатимуться передати відразу, що викличе колізію. Більше того, як тільки колізія буде виявлена, всі станції знову перейдуть до кроку 1, що викликає повторну колізію. У гіршому випадку, нові станції, які бажають передавати, можуть додатися до n, що ще більше посилить ситуацію, привівши, зрештою, до безперервної колізії та нульової пропускної спроможності. Щоб уникнути такої катастрофи, повинно бути менше одиниці. Якщо мережа схильна до виникнення станів, коли багато станцій одночасно бажають передавати, необхідно зменшувати р. З іншого боку, коли р стає занадто малим, навіть окрема станція може прочекати в середньому (1 - р) / р інтервалів Т, перш ніж здійснить передачу. Якщо р=0,1, то середній простий, що передує передачі, складе 9Т.

ТЕХНОЛОГІЯ ETHERNET

Ethernet - це найпоширеніший на сьогодні стандарт локальних мереж.

Коли говорять Ethernet, під цим зазвичай розуміють будь-який з варіантів цієї технології. У більш вузькому значенні Ethernet - це мережевий стандарт, заснований на експериментальній мережі Ethernet Network, яку фірма Xerox розробила та реалізувала у 1975 році. Метод доступу був випробуваний ще раніше: у другій половині 60-х років у радіомережі Гавайського університету використовувалися різні варіанти випадкового доступу до загального радіосередовища, які отримали загальну назву Aloha. У 1980 році фірми DEC, Intel та Xerox спільно розробили та опублікували стандарт Ethernet версії II для мережі, побудованої на основі коаксіального кабелю, який став останньою версією фірмового стандарту Ethernet. Тому фірмову версію стандарту Ethernet називають стандартом Ethernet DIX чи Ethernet П.

На основі стандарту Ethernet DIX був розроблений стандарт IEEE 802.3, який багато в чому збігається зі своїм попередником, але деякі відмінності все ж таки є. У той час як у стандарті IEEE 802.3 розрізняються рівні MAC і LLC, в оригінальному Ethernet обидва ці рівні об'єднані в єдиний канальний рівень. У Ethernet DIX визначається протокол тестування конфігурації (Ethernet Configuration Test Protocol), який відсутній у IEEE 802.3. Дещо відрізняється і формат кадру, хоча мінімальні та максимальні розміри кадрів у цих стандартах збігаються. Часто для того, щоб відрізнити Ethernet, визначений стандартом IEEE, та фірмовий Ethernet DIX, перший називають технологією 802.3, а за фірмовим залишають назву Ethernet без додаткових позначень.

Залежно від типу фізичного середовища стандарт IEEE 802.3 має різні модифікації – 10Base-5, 10Base-2, 10Base-T, 10Base-FL, 10Base-FB.

У 1995 році було прийнято стандарт Fast Ethernet, який багато в чому не є самостійним стандартом, про що говорить і той факт, що його опис просто є додатковим розділомдо основного стандарту 802.3 – розділом 802.3u. Аналогічно, прийнятий 1998 року стандарт Gigabit Ethernet описаний у розділі 802.3z основного документа.

Для передачі двійкової інформації з кабелю всім варіантів фізичного рівня технології Ethernet, що забезпечують пропускну здатність 10 Мбіт/с, використовується манчестерський код.

Усі види стандартів Ethernet (зокрема Fast Ethernet і Gigabit Ethernet) використовують і той ж метод поділу середовища передачі - метод CSMA/CD.

Адресація в мережах Ethernet

Для ідентифікації одержувача інформації в технологіях Ethernet використовуються 6-байтові MAC-адреси.

Формат MAC – адреси забезпечує можливість використання специфічних режимів багатоадресної адресації в мережі Ethernet і одночасно виключити можливість появи в межах однієї локальної мережідвох станцій, які мали б однакову адресу.

Фізична адреса мережі Ethernet складається із двох частин:

Ідентифікатор виробника обладнання (Vendor codes)
Індивідуальний ідентифікатор пристрою

Спеціальна організація у складі IEEE займається розподілом дозволених кодувань даного поля за заявками фірм-виробників мережного обладнання. Для написання MAC адреси можна використовувати різні форми. Найчастіше використовується шістнадцяткова форма, в якій пари байтів відокремлюються один від одного символами «-»:

E0-14-00-00-00

У мережах Ethernet та IEEE 802.3 використовуються три основні режими формування адреси призначення:

Unicast – індивідуальна адреса;
Multicast – групова адреса;
Broadcast – широкомовна адреса.

Перший режим адресації (Unicast) використовується в тому випадку, коли станція - джерело адресує пакет, що передається тільки одному одержувачу даних.

Ознакою використання режиму адресації Multicast є наявність 1 у молодшому біті старшого байта ідентифікатора виробника обладнання.

C-CC-CC-CC

Кадр, зміст поля DA якого належить типу Multicast, буде прийнято та оброблено всіма станціями, які мають відповідне значення поля Vendor Code – в даному випадку– це мережні пристрої Cisco. Наведена Multicast - адреса використовується мережевими пристроями цієї фірми для взаємодії відповідно до правил Cisco Discovery Protocol (CDP).

Станція мережі Ethernet та IEEE 802.3 також може використовувати режим адресації типу Broadcast. Адреса станції призначення типу Broadcast кодується спеціальним значенням:

FF-FF-FF-FF-FF-FF

При використанні цієї адреси переданий пакет буде прийнятий усіма станціями, що знаходяться у цій мережі.

Метод доступу до CSMA/CD

У мережах Ethernet використовується метод доступу до середовища передачі даних, званий методом колективного доступу з розпізнаванням несучої та виявленням колізій. .

Протокол CSMA/CD визначає характер взаємодії робочих станцій у мережі з єдиною загальною всім пристроїв середовищем передачі. Усі станції мають рівноправні умови передачі даних. Немає певної послідовності, відповідно до якої станції можуть отримувати доступ до середовища здійснення передачі. Саме в цьому сенсі доступ до середовища здійснюється випадковим чином. Реалізація алгоритмів випадкового доступу є значно простішим завданням, ніж реалізація алгоритмів детермінованого доступу. Оскільки в останньому випадку потрібен або спеціальний протокол, який контролює роботу всіх пристроїв мережі (наприклад протокол звернення маркера, властивий мережам Token Ring і FDDI), або спеціальний виділений пристрій - майстер концентратор, який у певній послідовності надавав би решті станція можливість передавати (мережі Arcnet , 100VG AnyLAN).

Однак мережа з випадковим доступом має один, мабуть, головний недолік - це не зовсім стійка робота мережі за великої завантаженості, коли може проходити досить великий час, перш ніж даної станції вдається передати дані. Виною тому колізії, що виникають між станціями, що почали передачу одночасно чи майже одночасно. При виникненні колізії дані, що передаються, не доходять до одержувачів, а передавальним станціям доводиться повторно відновлювати передачу - методи кодування, що використовуються в Ethernet, не дозволяють виділяти сигнали кожної станції із загального сигналу. (З аметим, що це факт відбито у складової «Base(band)», що у назвах всіх фізичних протоколів технології Ethernet (наприклад, 10Base-2,10Base-T тощо. п.). Baseband network означає мережу з немодульованою передачею, в якій повідомлення пересилаються в цифровій формі єдиним каналом, без частотного поділу.)

Колізія – це нормальна ситуація у роботі мереж Ethernet. Для виникнення колізії не обов'язково, щоб кілька станцій розпочали передачу абсолютно одночасно, така ситуація є малоймовірною. Набагато ймовірніше, що колізія виникає через те, що один вузол починає передачу раніше за інший, але до другого вузла сигнали першого просто не встигають дійти до того часу, коли другий вузол вирішує почати передачу свого кадру. Тобто колізії – це наслідок розподіленого характеру мережі.

Безліч всіх станцій мережі, одночасно передача будь-якої пари з яких призводить до колізії, називається колізійним доменом (collision domain) або доменом колізій.

Через колізію можуть виникати непередбачувані затримки при розповсюдженні кадрів по мережі, особливо при великій завантаженості мережі (багато станцій намагаються одночасно передавати всередині колізійного домену, > 20-25) та при великому діаметрі колізійного домену (> 2 км). Тому при побудові мереж бажано уникати таких екстремальних режимів роботи

Проблема побудови протоколу, здатного найбільш оптимально вирішувати колізії, і оптимізує роботу мережі при великих завантаженнях, була однією з ключових на етапі формування стандарту. Спочатку розглядалися три основні підходи як кандидати для реалізації алгоритму випадкового доступу до середовища: непостійний, 1-постійний та р-постійний (рис.11.2).

Малюнок 11.2. Алгоритми множинного випадкового доступу (CSMA) та витримка часу у конфліктній ситуації (collision back off)

Непостійний (nonpersistent) алгоритм.У цьому алгоритмі станція, яка бажає передавати, керується такими правилами.

1. Прослуховує середовище, і якщо середовище вільне (тобто якщо немає іншої передачі чи немає сигналу колізії) передає, в іншому випадку - середовище зайняте - переходить до кроку 2;

2. Якщо середовище зайняте, чекає випадковий (відповідно до певної кривої розподілу ймовірностей) час і повертається до кроку 1.

1. Прослуховує середовище, і якщо середовище не зайняте передає, інакше переходить до кроку 2;

2. Якщо середовище зайняте, продовжує прослуховувати середу до тих пір, поки середовище не звільниться, і як тільки середовище звільняється відразу починає передавати.

Порівнюючи непостійний і 1-постійний алгоритми, можна сказати, що в 1-постійному алгоритмі бажаюча передавати станція поводиться більш егоїстично. Тому, якщо дві або більше станцій очікують на передачу (ждуть поки не звільниться середовище), колізія, можна сказати, буде гарантована. Після колізії станції починають думати, що робити далі.

Р-постійний (p-persistent) алгоритм.Правила цього алгоритму такі:

1. Якщо середовище вільне, станція з ймовірністю p відразу ж починає передачу або з ймовірність (1- p ) очікує протягом фіксованого інтервал часу T. Інтервал T зазвичай береться рівним максимальному часу поширення сигналу з кінця до кінця;

2. Якщо середовище зайняте, станція продовжує прослуховування доти, доки середовище не звільниться, потім переходить до кроку 1;

3. Якщо передачу затримано на один інтервал T, станція повертається до кроку 1.

І тут постає питання вибору найбільш ефективного значення параметра p . Головна проблема, як уникнути нестабільності при високих завантаженнях. Розглянемо ситуацію, за якої n станцій мають намір передати кадри, тоді як уже йде передача. Після закінчення передачі очікувана кількість станцій, які спробують передавати, буде дорівнює добутку кількості бажаючих передавати станцій на ймовірність передачі, тобто np . Якщо np > 1, то середньому кілька станцій намагатимуться передати відразу, що викличе колізію. Більше того, як тільки колізія буде виявлена, всі станції знову перейдуть до кроку 1, що викликає повторну колізію. У гіршому випадку нові станції, які бажають зраджувати, можуть додатись до n , Що ще більше посилить ситуацію, привівши в кінцевому підсумку до безперервної колізії та нульової пропускної спроможності. Щоб уникнути такої катастрофи, твір np має бути менше одиниці. Якщо ж мережа схильна до виникнення станів, коли багато станцій одночасно бажають передавати, то необхідно зменшувати p . З іншого боку, коли p ставати занадто малим, навіть окрема станція може прочекати в середньому (1- p )/p інтервалів T, перш ніж здійснить передачу. Тож якщо p=0,1 то середній простий, що передує передачі, складе 9T.

Протокол множинного випадкового доступу до середовища з роздільною здатністю колізій CSMA/CD втілив у собі ідеї перерахованих вище алгоритмів і додав важливий елемент - дозвіл колізій. Оскільки колізія руйнує всі кадри, що передаються в момент її утворення, то і немає сенсу станціям продовжувати подальшу передачу своїх кадрів, якщо вони (станції) виявили колізії. Інакше значною була б втрата часу при передачі довгих кадрів. Тому для своєчасного виявлення колізії станція прослуховує середу протягом усього своєї передачі. Наведемо основні правила алгоритму CSMA/CD для станції, що зраджує (рис.11.3):

1. Станція, яка збирається передавати, прослуховує середу. І передає, якщо середовище вільне. В іншому випадку (тобто якщо середовище зайняте) переходить до кроку 2. При передачі кількох кадрів поспіль станція витримує певну паузу між посилками кадрів - міжкадровий інтервал, причому після кожної такої паузи перед відправкою наступного кадру станція знову прослуховує середу (повернення на початок кроку 1);

2. Якщо середовище зайняте, станція продовжує прослуховувати середовище до тих пір, поки середовище не стане вільним, і потім відразу починає передачу;

3. Кожна станція, що веде передачу прослуховує середовище, і у разі виявлення колізії, не припиняє відразу ж передачу, а спочатку передає короткий спеціальний сигнал колізії - jam-сигнал, інформуючи інші станції про колізію, та припиняє передачу;

4. Після передачі jam-сигналу станція замовкає і чекає деякий довільний час відповідно до правила бінарної експоненційної затримки і потім повертаючись до кроку 1.

Щоб отримати можливість передавати кадр, станція повинна переконатися, що середовище, що розділяється, вільна. Це досягається прослуховуванням основної гармоніки сигналу, яка також називається частотою, що несе (carrier-sense, CS). Ознакою незайнятості середовища є на ній несучої частоти, яка при манчестерському способі кодування дорівнює 5-10 МГц, залежно від послідовності одиниць і нулів, що передаються в даний момент.

Після закінчення передачі кадру всі вузли мережі повинні витримати технологічну паузу (Inter Packet Gap) 9,6 мкс (96 bt). Ця пауза, звана також міжкадровим інтервалом, потрібна для приведення мережевих адаптерів у вихідний стан, а також для запобігання монопольному захопленню середовища однією станцією.

Малюнок 11.3. Структурна схемаалгоритму CSMA/CD (рівень MAC): під час передачі кадру станцією

Jam-сигнал (jamming – буквально глушення). Передача jam-сигналу гарантує, що не один кадр не буде втрачено, тому що всі вузли, які передавали кадри до виникнення колізії, прийнявши jam-сигнал, перервуть свої передачі і замовкнуть напередодні нової спробипередати кадри. Jam-сигнал повинен бути достатньою довжини, щоб він дійшов до найвіддаленіших станцій колізійного домену, з урахуванням додаткової затримки SF (safety margin) на можливих повторювачах. Зміст jam-сигналу не є принциповим за винятком того, що він не повинен відповідати значенню поля CRC частково переданого кадру (802.3), і перші 62 біти повинні представляти чергування '1' і '0' зі стартовим бітом '1'.

Малюнок 11.4. Метод випадкового доступу CSMA/CD

На рис.11.5 проілюстровано процес виявлення колізії стосовно топології шина (з урахуванням тонкого чи товстого коаксіального кабелю (стандарти 10Base5 і 10Base2 відповідно).

На момент часу вузол A(DTE A) починає передачу, природно прослуховуючи свій сигнал, що передається. У момент часу, коли кадр майже дійшов вузла B(DTE B), цей вузол, не знаючи про те, що вже йде передача, сам починає передавати. В момент часу , вузол Bвиявляє колізію (збільшується постійна складова електричного сигналув лінії, що прослуховується). Після цього вузол Bпередає jam-сигнал та припиняє передачу. На момент часу сигнал колізії доходить до вузла A, після чого Aтакож передає jam-сигнал та припиняє передачу.

Малюнок 11.5. Виявлення колізії при використанні схеми CSMA/CD

За стандартом IEEE 802.3 вузол не може зраджувати дуже короткі кадри, або іншими словами вести дуже короткі передачі. Навіть якщо поле даних не заповнене до кінця, з'являється спеціальне додаткове поле, що подовжує кадр до мінімальної довжини 64 байти без урахування преамбули. Час каналу ST (slot time) - це мінімальний час, протягом якого вузол повинен вести передачу, займати канал. Це відповідає передачі кадру мінімального допустимого розміру, прийнятого стандартом. Час каналу пов'язаний з максимальною допустимою відстанню між вузлами мережі - діаметром колізійного домену. Припустимо, що у наведеному вище прикладі реалізується найгірший сценарій, коли станції Aі Bвіддалені один від одного на максимальну відстань. Час, поширення сигналу від Aдо Bпозначимо через . Вузол Aпочинає передавати у нульовий момент часу. Вузол Bпочинає передавати в момент часу і виявляє колізію через інтервал після початку передачі. Вузол Aвиявляє колізію у момент часу. Для того, щоб кадр, випущений A, не був втрачений, необхідно, щоб вузол Aне припиняв вести передачу до цього моменту, тому що тоді, виявивши колізію, вузол Aзнатиме, що його кадр не дійшов і спробує передавати його повторно. В іншому випадку кадр буде втрачено. Максимальний час, через який з моменту початку передачі вузол Aще може виявити колізію одно - цей час називається часом подвійного обороту сигналу PDV (Path Delay Value, PDV). У більш загальному випадку PDV визначає сумарну затримку, пов'язану як із затримкою через кінцеву довжину сегментів, так і із затримкою, що виникає при обробці кадрів на фізичному рівнім проміжних повторювачів та кінцевих вузлів мережі. Для подальшого розгляду зручно використовувати також іншу одиницю виміру часу: бітовий час bt (bit time). Час 1 bt відповідає часу, необхідного передачі однієї біта, тобто. 0,1 мкс при швидкості 10 Мбіт/с.

Чітке розпізнавання колізій усіма станціями мережі є необхідною умовоюкоректної роботи мережі Ethernet Якщо яка-небудь станція, що передає, не розпізнає колізію і вирішить, що кадр даних нею переданий правильно, то цей кадр даних буде втрачений. Через накладення сигналів при колізії інформація кадру спотвориться, і він буде відбракований приймальною станцією (можливо через розбіжність контрольної суми). Швидше за все, спотворена інформація буде повторно передана будь-яким протоколом верхнього рівня, наприклад транспортним або прикладним, що працює з встановленням з'єднання. Але повторна передача повідомлення протоколами верхніх рівнів відбудеться через більш тривалий інтервал часу (іноді навіть через кілька секунд) порівняно з мікросекундними інтервалами, якими оперує протокол Ethernet. Тому якщо колізії не будуть надійно розпізнаватись вузлами мережі Ethernet, це призведе до помітного зниження корисної пропускної спроможності цієї мережі.

Для надійного розпізнавання колізій має виконуватися таке співвідношення:

T min >=PVD,

де T min - час передачі кадру мінімальної довжини, a PDV - час, протягом якого сигнал колізії встигає поширитися до найдальшого вузла мережі. Так як у гіршому випадку сигнал повинен пройти двічі між найбільш віддаленими один від одного станціями мережі (в один бік проходить неспотворений сигнал, а по дорозі назад поширюється вже спотворений колізією сигнал), то саме тому цей час називається часом подвійного обороту (Path Delay Value, PDV).

При виконанні цієї умови передавальна станція повинна встигати виявити колізію, яку викликав переданий її кадр ще до того, як вона закінчить передачу цього кадру.

Очевидно, що виконання цієї умови залежить, з одного боку, від довжини мінімального кадру та пропускної спроможності мережі, а з іншого боку, від довжини кабельної системи мережі та швидкості поширення сигналу в кабелі (для різних типів кабелю ця швидкість дещо відрізняється).

Усі параметри протоколу Ethernet підібрані таким чином, щоб під час нормальної роботи вузлів мережі колізії завжди чітко розпізнавались. При виборі параметрів, звичайно, враховувалося і наведене вище співвідношення, що пов'язує між собою мінімальну довжину кадру та максимальну відстань між станціями у сегменті мережі.

У стандарті Ethernet прийнято, що мінімальна довжина поля даних кадру становить 46 байт (що разом із службовими полями дає мінімальну довжину кадру 64 байт, а з преамбулою - 72 байт чи 576 біт).

При передачі великих кадрів, наприклад 1500 байт, колізія, якщо вона взагалі виникне, виявляється практично на початку передачі, не пізніше перших 64 переданих байт (якщо колізія не виникла в цей час, то пізніше вона вже не виникне, оскільки всі станції прослуховують лінію і, "чуючи" передачу, мовчати). Оскільки jam-сигнал значно коротший повного розмірукадру, то при використанні алгоритму CSMA/CD кількість в холосту витраченої ємності каналу скорочується до часу, необхідного для виявлення колізії. Раннє виявлення колізій призводить до ефективнішого використання каналу. Пізніше виявлення колізій, властиве протяжнішим мережам, коли діаметр колізійного домену становить кілька кілометрів, що знижує ефективність роботи мережі. На підставі спрощеної теоретичної моделі поведінки завантаженої мережі (у припущенні великої кількості одночасно передавальних станцій і фіксованої мінімальної довжини кадрів, що передаються у всіх станцій) можна виразити продуктивність мережі U через відношення PDV/ST:

де - основа натурального логарифму. На продуктивність мережі впливає розмір кадрів, що транслюються, і діаметр мережі. Продуктивність у найгіршому випадку (коли PDV=ST) становить близько 37%, а в найкращому випадку (коли PDV набагато менше, ніж ST) прагне 1. Хоча формула і виведена в межі великої кількості станцій, які намагаються передавати одночасно, вона не враховує особливостей алгоритму зрізаної бінарної експоненційної затримки, розглянутого нижче, і не справедлива для сильно перевантаженої колізіями мережі, наприклад, коли станцій, які бажають передавати, стає більше 15.

Усічена бінарна експоненційна затримка(Tuncated binary exponential backoff). Алгоритм CSMA/CD, прийнятий у стандарті IEEE 802.3, найбільш близький до 1-постійного алгоритму, але відрізняється додатковим елементом - усіченою бінарною експоненційною затримкою. У разі колізії стація підраховує, скільки разів поспіль під час відправлення пакета виникає колізія. Оскільки колізії, що повторюються, свідчать про високу завантаженість середовища, MAC-вузол намагається збільшувати затримку між повторними спробами передачі кадру. Відповідна процедура збільшення інтервалів часу підпорядковується правилу усіченої бінарної експоненційної затримки.

Випадкова пауза вибирається за таким алгоритмом:

Пауза = Lх (інтервал відстрочки),

де (інтервал відстрочки) = 512 бітових інтервалів (51,2 мкс);

L являє собою ціле число, вибране з рівною ймовірністю діапазону , де N - номер повторної спроби передачі даного кадру: 1,2,..., 10.

Після 10-ї спроби інтервал, з якого вибирається пауза, не збільшується. Таким чином, випадкова пауза може набувати значення від 0 до 52,4 мс.

Якщо 16 послідовних спроб передачі кадру викликають колізію, передавач повинен припинити спроби і відкинути цей кадр.

Алгоритм CSMA/CD з використанням усіченої бінарної експоненційної затримки визнаний найкращим серед безлічі алгоритмів випадкового доступу та забезпечує ефективну роботу мережі як при малих, так і середніх завантаженнях. При великих завантаженнях слід зазначити два недоліки. По-перше, при велику кількість колізій станція 1, яка вперше збирається відправити кадр (до цього не намагалася передавати кадри), має перевагу перед станцією 2, яка вже кілька разів безуспішно намагалася передати кадр, натикаючись на колізії. Оскільки станція 2 очікує значний час перед наступними спробами відповідно до правила бінарної експоненційної затримки. Таким чином, може спостерігатися нерегулярність передачі кадрів, що небажано для додатків, що залежать від часу. По-друге, при великій завантаженості знижується ефективність роботи мережі загалом. Оцінки показують, що за одночасної передачі 25 станцій загальна смуга пропускання знижується приблизно 2 разу. Але кількість станцій у колізійному домені може бути більшою, оскільки далеко не всі вони одночасно звертатимуться до середовища.

Прийом кадру (рис.11.6)

Малюнок 11.6. Структурна схема алгоритму CSMA/CD (рівень MAC): прийом кадру станцією

Приймаюча станція або інше мережевий пристрій, наприклад, концентратор або комутатор насамперед синхронізується по преамбулі і потім перетворює манчестерський код у бінарну форму (фізично). Далі обробляється бінарний потік.

На рівні MAC біти, що залишилися, преамбули скидаються, а станція читає адресу призначення і порівнює його зі своїм власним. Якщо адреси збігаються, поля кадру за винятком преамбули, SDF і FCS поміщаються в буфер і обчислюється контрольна сума, яка порівнюється з полем контрольної послідовності кадру FCS (використовується метод циклічного підсумовування CRC-32). Якщо вони рівні, вміст буфера передається протоколу вищого рівня. В іншому випадку кадр скидається. Виникнення колізії при прийомі кадру виявляється або зміни електричного потенціалу, якщо використовується коаксіальний сегмент, або за фактом прийому дефектного кадру, неправильна контрольна сума, якщо використовується кручена пара або оптичне волокно. В обох випадках прийнята інформація скидається.

З опису методу доступу видно, що він носить імовірнісний характер, і можливість успішного отримання у своє розпорядження загального середовища залежить від завантаженості мережі, тобто від інтенсивності виникнення станціях потреби передачі кадрів. При створенні цього в кінці 70-х років передбачалося, що швидкість передачі у 10 Мбіт/с дуже висока проти потребами комп'ютерів у взаємному обміні даними, тому завантаження мережі буде завжди невеликий. Це припущення залишається іноді справедливим і донині, проте вже з'явилися програми, що працюють у реальному масштабі часу з мультимедійною інформацією, які завантажують сегменти Ethernet. При цьому колізії виникають набагато частіше. При значній інтенсивності колізій корисна пропускна спроможність мережі Ethernet різко падає, оскільки мережу майже завжди зайнята повторними спробами передачі кадрів. Для зменшення інтенсивності виникнення колізій потрібно або зменшити трафік, скоротивши, наприклад, кількість вузлів у сегменті або замінивши програми, або підвищити швидкість протоколу, наприклад, перейти на Fast Ethernet.

Слід зазначити, що метод доступу CSMA/CD взагалі не гарантує станції, що вона зможе отримати доступ до середовища. Звичайно, при невеликому завантаженні мережі ймовірність такої події невелика, але при коефіцієнті використання мережі, що наближається до 1, така подія стає вірогідною. Цей недолік методу випадкового доступу – плата за його надзвичайну простоту, яка зробила технологію Ethernet найдешевшою. Інші методи доступу – маркерний доступ мереж Token Ring та FDDI, метод Demand Priority мереж 100VG-AnyLAN – вільні від цього недоліку.

В результаті обліку всіх факторів було ретельно підібрано співвідношення між мінімальною довжиною кадру та максимально можливою відстанню між станціями мережі, що забезпечує надійне розпізнавання колізій. Цю відстань називають також максимальним діаметром мережі.

Зі збільшенням швидкості передачі кадрів, що має місце в нових стандартах, що базуються на тому ж методі доступу CSMA/CD, наприклад, Fast Ethernet, максимальна відстань між станціями мережі зменшується пропорційно збільшенню швидкості передачі. У стандарті Fast Ethernet воно становить близько 210 м, а в стандарті Gigabit Ethernet воно було б обмежене 25 метрами, якби розробники стандарту не вжили деяких заходів для збільшення мінімального розміру пакета.

У табл. 11.1 наведено значення основних параметрів процедури передачі кадру стандарту 802.3 які не залежать від реалізації фізичного середовища. Важливо відзначити, що кожен варіант фізичного середовища технології Ethernet додає до цих обмежень свої, часто суворіші обмеження, які також повинні виконуватися і які будуть розглянуті нижче.

Таблиця 11.1.Параметри рівня MAC Ethernet

Параметри	Значення
Бітова швидкість	10 Мбіт/с
Інтервал відстрочки	512 bt
Міжкадровий інтервал (IPG)	9,6 мкс
Максимальна кількість спроб передачі
Максимальна кількість зростання діапазону паузи
Довжина jam-послідовності	32 біта
Максимальна довжина кадру (без преамбули)	1518 байт
Мінімальна довжина кадру (без преамбули)	64 байт (512 біт)
Довжина преамбули	64 біт
Мінімальна довжина випадкової паузи після колізії	0 bt
Максимальна довжина випадкової паузи після колізії	524000 bt
Максимальна відстань між станціями мережі	2500м
Максимальна кількість станцій у мережі

Формати кадрів технології Ethernet

Стандарт Ethernet, описаний у документі IEEE 802.3, дає опис єдиного формату кадру рівня MAC. Так як у кадр рівня MAC повинен вкладатися кадр рівня LLC, описаний у документі IEEE 802.2, то за стандартами IEEE в мережі Ethernet може використовуватися тільки єдиний варіант кадру канального рівня, заголовок якого комбінацією заголовків MAC і LLC підрівнів.

Проте, практично у мережах Ethernet на канальному рівні використовуються кадри 4-х різних форматів (типів). Це пов'язано з тривалою історією розвитку технології Ethernet, що нараховує період існування до прийняття стандартів IEEE 802, коли рівень LLC не виділявся із загального протоколу і, відповідно, заголовок LLC не застосовувався.

Консорціум трьох фірм Digital, Intel і Xerox в 1980 році представив на розгляд комітету 802.3 свою фірмову версію стандарту Ethernet (в якій був, природно, описаний певний формат кадру) як проект міжнародного стандарту, але комітет 802.3 прийняв стандарт, який відрізняється в деяких деталях від пропозиції DIX. Відмінності стосувалися і формату кадру, що породило існування двох різних типівкадрів у мережах Ethernet.

Ще один формат кадру з'явився внаслідок зусиль компанії Novell щодо прискорення роботи свого стеку протоколів у мережах Ethernet.

І, нарешті, четвертий формат кадру став результатом діяльності комітету 802:2 щодо приведення попередніх форматів кадрів до деякого загального стандарту.

Відмінності у форматах кадрів можуть призводити до несумісності в роботі апаратури та мережевого програмного забезпечення, розрахованого працювати лише з одним стандартом кадру Ethernet. Однак сьогодні практично всі мережеві адаптери, драйвери мережевих адаптерів, мости/комутатори і маршрутизатори вміють працювати з усіма форматами кадрів технології Ethernet, що використовуються на практиці, причому розпізнавання типу кадру виконується автоматично.

Нижче наводиться опис всіх чотирьох типів кадрів Ethernet (тут під кадром розуміється весь набір полів, які відносяться до канального рівня, тобто поля MAC та LLC рівнів). Один і той же тип кадру може мати різні назви, тому нижче для кожного типу кадру наведено кілька найбільш уживаних назв:

кадр 802.3/LLC (кадр 802.3/802.2 або кадр Novell 802.2);
кадр Raw 802.3 (або кадр Novell 802.3);
кадр Ethernet DIX (або Ethernet II);
кадр Ethernet SNAP.

Формати всіх цих чотирьох типів кадрів Ethernet наведено на рис. 11.7.

Кадр 802.3/LLC

Заголовок кадру 802.3/LLC є результатом об'єднання полів заголовків кадрів, визначених у стандартах IEEE 802.3 та 802.2.

Стандарт 802.3 визначає вісім полів заголовка (рис. 11.7; поле преамбули та початковий обмежувач кадру на малюнку не показані).

Поле преамбули (Preamble)складається із семи синхронізуючих байт 10101010. При манчестерському кодуванні ця комбінація представляється у фізичному середовищі періодичним хвильовим сигналом із частотою 5 МГц.
Початковий обмежувач кадру (Start-of-frame-delimiter, SFD)складається з одного байта 10101011. Поява цієї комбінації біт є вказівкою те що, що наступний байт - це перший байт заголовка кадру.
Адреса призначення (Destination Address, DA)може бути довжиною 2 чи 6 байт. Насправді завжди використовуються адреси з 6 байт. Перший біт старшого байта адреси призначення є ознакою того, чи є адреса індивідуальною або груповою. Якщо він дорівнює 0, то адреса є індивідуальним (unicast), a якщо 1, то це групова адреса (multicast).Якщо адреса складається з усіх одиниць, тобто має шістнадцяткову виставу 0xFFFFFFFFFFFF, то вона призначається всім вузлам мережі і називається широкомовною адресою (broadcast).

У стандартах IEEE Ethernet молодший біт байта зображується у лівої позиції поля, а старший біт - у правої. Цей нестандартний спосібвідображення порядку біт у байті відповідає порядку передачі біт у лінію зв'язку передавачем Ethernet. У стандартах інших організацій, наприклад RFC IETF, ITU-T, ISO, використовується традиційне уявлення байта, коли молодший біт вважається найправішим бітом байта, а старший - найлівішим. При цьому порядок проходження байтів залишається традиційним. Тому при читанні стандартів, опублікованих цими організаціями, а також читанні даних, що відображаються на екрані операційною системоюабо аналізатором протоколів, значення кожного байта кадру Ethernet потрібно відобразити дзеркально, щоб отримати правильне уявлення про значення розрядів цього байта відповідно до документів IEEE. Наприклад, групова адреса, що є в нотації IEEE вид 1000 0000 0000 0000 1010 0111 1111 0000 0000 0000 0000 0000 або в шістнадцятковому запису в от 80-00-A7 вигляді як 01-00-5E-0F-00-00.

Адреса джерела (Source Address, SA) -це 2 або 6-байтове поле, що містить адресу вузла - відправника кадру. Перший біт адреси має значення 0.
Довжина (Length, L) - 2-байтове поле, яке визначає довжину поля даних у кадрі.
Поле даних (Data)може містити від 0 до 1500 байт. Але якщо довжина поля менше 46 байт, то використовується наступне поле - поле заповнення, щоб доповнити кадр до мінімально допустимого значення в 46 байт.
Поле заповнення (Padding)складається з такої кількості байт заповнювачів, що забезпечує мінімальну довжину поля даних 46 байт. Це забезпечує коректну роботу механізму виявлення колізій. Якщо довжина поля даних достатня, поле заповнення у кадрі не з'являється.
Поле контрольної суми (Frame Check Sequence, PCS)складається з 4 байт, що містять контрольну суму. Це значення обчислюється за алгоритмом CRC-32. Після отримання кадру робоча станція виконує власне обчислення контрольної суми для цього кадру, порівнює отримане значення значення поля контрольної суми і, таким чином, визначає, чи не спотворений отриманий кадр.

Кадр 802.3 є кадром МАС-підрівня, тому відповідно до стандарту 802.2 його поле даних вкладається кадр підрівня LLC з віддаленими прапорами початку і кінця кадру. Формат кадру LLC описано вище. Так як кадр LLC має заголовок довжиною 3 (в режимі LLC1) або 4 байт (в режимі LLC2), то максимальний розмір поля даних зменшується до 1497 або 1496 байт.

Малюнок 11.7. Формати кадрів Ethernet

Подібна інформація.