Какой метод доступа используется в сетях с архитектурой ethernet

Конспект лекции 9. Технология Ethernet.

Ethernet — это семейство технологий, которые используются для сетей с пакетной передачей данных (коммутацией пакетов).

Название Ethernet переводится буквально как «эфирная сеть». Технология Ethernet используется для проводных локальных сетей с разделяемой средой.

Разделяемая среда — это общая для всех устройств сети линия связи. Пример — общая шина. Принцип этой технологии прост и схож с радиовещанием: данные, которые поступают в сеть, одновременно принимаются всеми остальными участниками сети.

Однако, в настоящее время (как мы уже знаем) для передачи пакета данных конкретному пользователю используются коммутаторы. Это повышает работу сети.

В общем, технология Ethernet описывает технологии для физического и канального уровня модели OSI.

Попробуйте объяснить, каким образом коммутаторы повышают скорость сети.

Используемые линии связи

Первые две версии Ethernet в качестве линий связи использовали коаксиальный кабель. Однако, в последующем, появилась возможность использования витых пар и оптоволоконных кабелей.

Обозначим преимущества двух последних типов линий связи, относительно коаксиального кабеля:

• Дуплексный режим;
• Низкая стоимость (витая пара);
• Более высокая надёжность. Достигается из-за использования топологии «звезда»;
• Более высокая помехоустойчивость;
• Возможность питания маломощных сетевых устройств.

Метод доступа CSMA/CD

Познакомимся с понятием метода доступа.

Метод доступа — это способ определения порядка доступа устройств к сети для обмена данными.

Как мы помним, Ethernet использует общую среду передачи данных (ПД). Поэтому при построении сети без использования коммутаторов и других более высокоуровневых сетевых устройств, используется метод доступа CSMA/CD, который реализуется сетевыми картами компьютеров.

CSMA/CD (Carrier Sense Multiplie Access with Collision Detection — множественный доступ с прослушиванием несущей и обнаружением коллизий) — это технология IEEE 802.3, которая описывает множественный доступ к локальной сети с контролем коллизий.

IEEE (Institut electrical and electronics engineers) — институт инженеров электротехники и электроники. Читается как «ай трипл и».

Технология CSMA/CD работает следующим образом.

Если во время передачи кадра компьютер обнаруживает другой сигнал, то он останавливает ПД, посылает сигнал «преднамеренной помехи» и ждёт некоторое время, после чего пытается отправить кадр вновь.

Коллизии в данной технологии находятся путём сравнения передаваемой и получаемой информации. В случае несовпадения, передача данных приостанавливается, компьютер посылает сигнал «преднамеренной помехи», чтобы оповестить другие компьютеры о случившемся, после чего вновь начинает работу.

Общее устройство кадра Ethernet

В общем, кадр Ethernet выглядит следующим образом:

устройство кадра Ethernet

Вспомните определение канального уровня модели OSI.

Как можно вспомнить, pdu «Кадр» используется только на канальном уровне модели OSI. На этом уровне реализуется только MAC-адресация.

MAC (Media Access Control) — это нижний подуровень канального уровня OSI, который отвечает за обеспечение доступа к линиям связи и адресацией хостов (конечных узлов). Этот подуровень отвечает за множественный доступ к сети. Использует топологии «шина», «кольцо». Из сетевого оборудования — концентратор (хаб, hub).

MAC-адресация

При проектировании стандарта Ethernet учли, что у каждого сетевого устройства с завода будет установлен уникальный идентификатор — шестибайтовый номер, который назыфвается MAC-адресом .

Обычно MAC-адрес обозначается в виде шестнадцатиричного числа, каждыйе два разряда которого отделены двоеточием или тире.

пример MAC-адреса.

Так как сетевые устройства изготавливаются различными организациями, был принят стандарт, который гласит, что три старших байта будут отводиться как идентификатор организации ( OUI — уникальный идентификатор организации). Организация запрашивает OUI у IEEE Registration Authority.

Оставшиеся три байта отводятся под идентификацию выпускаемых устройств.

Получается, что у каждой организации есть возможность реализовать 2в24

16 млн устройств. В случаях, когда данного диапазона станет недостаточно, организация может запросить новый. Соответственно, у организации может быть несколько идентификаторов вначале адреса.

Попробуйте посчитать, сколько всего MAC-адресов можно получить.

Не смотря на то, что адресвыдается «с завода», есть возможность его программной замены. Это возможно из-за особенностей ОС? При первой инициализации сетевого устройства, его MAC-адрес записывается в ПЗУ, и при каждом последующем запуске извлекается оттуда. В ОС Windows, начиная с Windows98, есть возможность изменения MAC-адреса в реестре.

Разновидность Ethernet

Для различных скоростей и сред ПД существуют несколько вариантов технологий. Однако, независимо от вида, Ethernet в большинстве случаев сетевой стек работает одинаково. Это очень большой плюс — совместимость разных версий Ethernet.

В данной лекции не будут затрагиваться устаревшие виды технологий.

Сначала изучим, как формируется название стандартов.

расшифровка названия стандартов.

Распространённые стандарты

FastEthernet (макс.скорость — 100 Мбит/сек)

Использует следующие линии:

• 100Base-T — общий термин для обозначения витых пар. Длина сегмента — до 100 метров. Включает в себя такие линии связи, как 100Base-TX, 100Base-T2 и 100Base-T4.
• 100Base-TX — использует 5-ю категорию кабеля. Режим ПД — дуплексный. Максимальная протяжённость — 100 метров. Не смотря на то, что у кабеля 4 витые пары, фактически используются 2.
• 100Base-T4 — использует кабель 3-ей категории. Задействует все пары. Режим ПД — полудуплексный. Практически не используется.
• 100Base-FX — стандарт, использующий в качестве линии связи многомодовое оптоволокно. Максимальная протяжённость — 400 метров.

GigabitEthernet (макс.скорость — 1000 Мбит/сек)

• 1000Base-T — витая пара 5e-категории. Участвуют все 4-ре пары. Каждая пара используется в ПД в обоих направлениях одновременно со скоростью 250 Мбит/сек.
• 1000Base-SX — многомодовое оптоволокно с длиной волны 850 нм. Дальность — до 550 метров.
• 1000Base-LX — одномодовое или многомодовое волокно с длиной волны 1310 нм.Дальность многомодового — 550 метров. Для одномодового — 5 километров.
• 1000Base-LH — одномодовое волокно. Протяжённость до 100 километров.

Это одни из самых распространённых и часто используемых разновидностей Ethernet. Однако нужно учитывать, что их очень много, и скоростью в 1 Гбит/сек не является предельной. Сейчас существуют такие модификации технологии, которые поддерживают максимальную скорость в 100 Гбит/сек (примерно 12 гигабайт в секунду).

Общие сведения о витой паре

Витая пара категории 5e имеет 4 витых пар – 8 проводов. Каждый провод маркируется специальными цветами и текстурами. Это понадобится в дальнейшем при подключении.

Категории витых пар

Для удобства выделили 8 категорий витых пар. В основном, категории зависят от следующих характеристик:

• Защита от внешних воздействий – достигается использованием химической защиты;
• Наличие защиты от механических воздействий – материалы;
• Защита от внутренних наводок – количество витков на единицу длины;
• Защита сигнала от помех – экранирование.
• Количество витых пар.

Чем выше категория, тем лучше показатели этих составляющих.

Для современных систем применяются категории от 5 и выше.

Таблица категорий витых пар:

категории витых пар.

Коннекторы и разъёмы для Cat 5 – 8

RG (Registered Jack – зарегистрированный разъём) – это стандартизированный физический сетевой интерфейс.

Зачастую, названия стандартов ошибочно используют для названия коннекторов. В случае с данной технологией, путают стандарт RG45 с коннектором 8P8C .

Стандарт RG45 использует коннектор 8P8C, который имеет восемь контактов и 8 фиксаторов. Используется в 100Base-T, 1000Base-t и IEEE802.3bz, с использованием 4-х витых пар.

8P8C коннектор.

Штекер коннектора 8P8C имеет ключ для более надёжной фиксации с разъёмом и правильного соединения.

Немного про понятие «разъём»

Разъём – это устройство, необходимое для механического соединения электрических цепей.

Состоит из «вилки»(часть разъёма, содержащая штыри) и «розетки».(часть разъёма, в которой находятся углубления для штырей).

Для создания крепкого соединения проводов кабеля с контактами коннектора, коннектор необходимо обжать.специальным устройством – кримпером.

Кримпер.

Порядок расположения проводов определяется таблицами T568A и T568B.

Эти таблицы описываются в стандарте TIA/EIA-568-B (этот стандарт специально создан для описания правильного расположения проводов к контактам коннектора).

Существует два типа соединения:

• Прямое соединение. Образует прямой кабель. Используется для соединения компьютера с сетевым оборудованием. Оба конца обжимаются одинаково. Чаще всего для этого используется раскладка типа B. Именно с такой раскладкой можно купить уже обжатые кабели (патч-корды). Однако в исходном стандарте описано использование типа A. По факту, выбор раскладки не имеет значения.
• Перекрёстное соединение. Образует перекрёстный кабель. Этот кабель выполняет «перекрёстку» линии Rx(приём) и Tx(передача) порта.

Это происходит из-за того, что у двух одинаковых устройств (два компьютера, два коммутатора) для контактов Rx и Tx используют одинаковые номера контактов (вы не можете говорить ушами или слушать ртом. У вас с собеседником уши и рот выполняют одинаковые функции. Для того, чтобы собеседник вас услышал, необходимо рот направить на уши. Поэтому и кабель называется перекрёстным).

Как раз-таки именно для перекрёстных кабелей и вводится вторая раскладка. Для соединения двух одинаковых устройств необходимо обжать каждый конец кабеля отличной от другой раскладкой.

Раскладка A и B отличаются только переставленными 1-2 и 3-6 контактами.

Раскладки T568-A и T568-B

I. Технология Ethernet (802.3)

Ethernet — это самый распространенный на сегодняшний день стандарт локальных сетей. Общее количество сетей, использующих в настоящее время Ethernet, оценивается в 5 миллионов, а количество компьютеров, работающих с установленными сетевыми адаптерами Ethernet — в 50 миллионов.

Ethernet — это сетевой стандарт, основанный на технологиях экспериментальной сети Ethernet Network, которую фирма Xerox разработала и реализовала в 1975 году. Метод доступа был опробован еще раньше: во второй половине 60-х годов в радиосети Гавайского университета использовались различные варианты случайного доступа к общей радио среде, получившие общее название Aloha. В 1980 году фирмы DEC, Intel и Xerox совместно разработали и опубликовали стандарт Ethernet версии II для сети, построенной на основе коаксиального кабеля, который стал последней версией фирменного стандарта Ethernet. Поэтому фирменную версию стандарта Ethernet называют стандартомEthernetDIX илиEthernetII.

На основе стандарта Ethernet DIX был разработан стандарт IEEE 802.3, который во многом совпадает со своим предшественником, но некоторые различия все же имеются. В то время, как в стандарте IEEE 802.3 различаются уровни MAC и LLC, в оригинальном Ethernet оба эти уровня объединены в единый канальный уровень.

В зависимости от типа физической среды стандарт IEEE 802.3 имеет различные модификации — 10Base-5, 10Base-2, 10Base-T, 10Base-FL, 10Base-FB.

В 1995 году был принят стандарт FastEthernet, который во многом не является самостоятельным стандартом, о чем говорит тот факт, что его описание просто является дополнительным разделом к основному стандарту 802.3 — разделом 802.3u. Аналогично, принятый в 1998 году стандартGigabitEthernetописан в разделе 802.3z. основного документа.

Для передачи двоичной информации по кабелю для всех вариантов физического уровня технологии Ethernet, обеспечивающих пропускную способность 10Мбит/с, используется манчестерский код.

Все виды стандартов Ethernet используют один и тот же метод разделения среды передачи данных.

Метод доступа csma/cd

В сетях Ethernet используется метод доступа к среде передачи данных, называемый методом коллективного доступа с опознаванием несущей и обнаружением коллизий (carrier-sense-multiply-access with collision detection, CSMA/CD).

Этот метод используется исключительно в сетях с общей шиной (к которым относятся и радиосети, породившие этот метод).

Все компьютеры такой сети имеют непосредственный доступ к общей шине, поэтому она может бытьиспользована для передачи данных между любыми двумя узлами сети.

Одновременно все компьютеры сети имеют возможность немедленно(с учетом задержки распространения сигнала по физической среде)получить данные,которые любой из компьютеров начал передавать на общую шину.

Простота схемы подключения — это один из факторов, определивших успех стандарта Ethernet. Говорят, что кабель, к которому подключены все станции, работает в режиме коллективного доступа (multiply—access, MA).

Этапы доступа к среде

Все данные, передаваемые по сети, помещаются в кадры определенной структуры и снабжаются уникальным адресом станции назначения.

Чтобы получить возможность передавать кадр, станция должна убедиться, что разделяемая среда свободна. Это достигается прослушиванием основной гармоники сигнала, которая также называется несущей частотой (carrier-sense,CS).Признаком не занятости среды является отсутствие на ней несущей частоты, которая при манчестерском способе кодирования равна 5-10МГц, в зависимости от последовательности единиц и нулей, передаваемых в данный момент.

Если среда свободна, то узел имеет право начать передачу кадров. Узел 1 обнаружил, что среда свободна, и начал передавать свой кадр. В классической сети Ethernetна коаксиальном кабеле сигналы передатчика узла 1 распространяются в обе стороны, так что все узлы сети их получают.Кадр данных всегда сопровождается преамбулой (preamble), которая состоит из 7 байт, состоящих из значений 10101010, и 8-го байта, равного 10101011. Преамбула нужна для вхождения приемника в побитовый и побайтовый синхронизм с передатчиком.

Рис.6. 1 Пояснение метода случайного доступа CSMA/CD

Все станции, подключенные к кабелю, могут распознать факт передачи кадра, и та станция, которая узнает собственный адрес в заголовках кадра, записывает его содержимое в свой внутренний буфер, обрабатывает полученные данные и посылает по кабелю кадр-ответ. Адрес станции-источника также включен в исходный кадр, поэтому станция-получатель знает, кому нужно послать ответ.

Узел 2 во время передачи кадра узлом 1также пытался начать передачу своего кадра, однако обнаружил, что среда занята — на ней присутствует несущая частота, — поэтому узел 2 вынужден ждать, пока узел 1 не прекратит передачу кадра.

После окончания передачи кадра все узлы сети обязаны выдержать технологическую паузу (Inter Packet Gap) в 9,6 мкс.Эта пауза, называемая также межкадровым интервалом, нужна для предотвращения монопольного захвата среды одной станцией. После окончания технологической паузы узлы имеют право начать передачу своего кадра, так как среда свободна. Из-за задержек распространения сигнала по кабелю не все узлы строго одновременно фиксируют факт окончания передачи кадра узлом 1.

В приведенном примере узел 2 дождался окончания передачи кадра узлом 1, сделал паузу 9,6 мкс и начал передачу своего кадра.

4.1.1.1 Архитектура сетей Ethernet

История создания протокола IEEE-802.3 (Ethernet) достаточно любопытна. Первоначальная версия базировалась на алгоритме доступа ALOHA и предназначалась для установления связи между машинами, раскиданными по Гавайским островам. Позднее компания Ксерокс создала систему на основе алгоритма CSMA/CD с быстродействием 2,94Мбит/c. Окончательно принципы сети Ethernet разработаны в 1976 году Меткальфом и Боггсом (фирма Ксерокс). Ethernet совместно со своими скоростными версиями Fast Ethernet (FE), Giga Ethernet (GE) и 10GE занимает в настоящее время абсолютно лидирующее положение. Единственным недостатком данной сети является отсутствие гарантии времени доступа к среде (и механизмов, обеспечивающих приоритетное обслуживание), что делает сеть малоперспективной для решения технологических задач реального времени. Определенные проблемы иногда создает ограничение на максимальное поле данных, равное

Первоначально в качестве среды передачи данных использовался толстый коаксиальный кабель (Z=50 Ом), а подключение к нему выполнялось через специальные устройства (трансиверы). Позднее сети начали строиться на основе тонкого коаксиального кабеля. Но и такое решение было достаточно дорогим. Разработка дешевых широкополосных скрученных пар и соответствующих разъемов открыла перед Ethernet широкие перспективы. Те, кому приходилось работать с коаксиальными кабелями Ethernet, знают, при подсоединении или отсоединении разъема можно получить болезненные удары тока. Для скрученных пар это исключено. Но и эта технология не вечна, скрученные пары мало-помалу уступают свои позиции оптоволоконным кабелям.

Не трудно видеть, что все перечисленные физические среды используют последовательный формат передачи информации. К этой разновидности относится и Ethernet (10 Мбит/с ± 0,01%). Фирма Ксерокс осуществила разработку протокола Ethernet в 1973 году, а в 1979 году объединение компаний Ксерокс, Интел и DEC (DIX) предоставило документ для стандартизации протокола в IEEE. Предложение с небольшими изменениями было принято комитетом 802.3 в 1983 году. Кадр Ethernet имеет формат, показанный на рис. 4.1.1.1.1.

Рис. 4.1.1.1.1 Формат кадра сетей Ethernet (цифры в верхней части рисунка показывают размер поля в байтах)

Поле преамбула содержит 7 байт 0хАА и служит для стабилизации и синхронизации среды (чередующиеся сигналы CD1 и CD0 при завершающем CD0), далее следует поле SFD (start frame delimiter = 0xab), которое предназначено для выявления начала кадра. Поле EFD (End frame delimiter) задает конец кадра. Поле контрольной суммы (CRC — cyclic redundancy check), также как и преамбула, SFD и EFD, формируются и контролируются на аппаратном уровне. В некоторых модификациях протокола поле efd не используется. Пользователю доступны поля, начиная с адреса получателя и кончая полем информация, включительно. После crc следует межпакетная пауза (IPG — interpacket gap — межпакетный интервал) длиной 9,6 мксек или более. Максимальный размер кадра равен 1518 байт (сюда не включены поля преамбулы, SFD и EFD). Интерфейс просматривает все пакеты, следующие по кабельному сегменту, к которому он подключен, ведь определить, корректен ли принятый пакет и кому он адресован, можно лишь приняв его целиком. Корректность пакета по CRC, по длине и кратности целому числу байт производится после проверки адреса места назначения. Вероятность ошибки передачи при наличии crc контроля составляет

2 -32 . При вычислении CRCиспользуется образующий полином:

G(x) = x 32 + x 26 + x 23 + x 22 + x 16 + x 12 + x 11 + x 10 + x 8 + x 7 + x 5 + x 4 + x 2 + x + 1.

Алгоритм вычисления CRC сводится к вычислению остатка от деления кода M(x), характеризующего кадр, на образующий полином G(x) (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD) Access Method and Physical Layer Specification. Published by IEEE (802.3-1985). Wiley-Interscience, John & sons, inc.). CRC представляет собой дополнение полученного остатка R(x). CRC пересылается, начиная со старших разрядов. Схема взаимодействия различных субуровней при реализации протокола IEEE 802.3 показана на рис 4.1.1.1.2. Выше llc размещаются верхние субуровни, включая прикладной. Через AUI данные передаются с использованием манчестерского кода.

Рис. 4.1.1.1.2. Схема взаимодействия субуровней 802.3 (CSMA/CD)

Манчестерский код объединяет в бит-сигнале данные и синхронизацию. Каждый бит-символ делится на две части, причем вторая часть всегда является инверсной по отношению первой. В первой половине кодируемый сигнал представлен в логически дополнительном виде, а во второй — в обычном. Таким образом, сигнал логического 0 — CD0 характеризуется в первой половине уровнем HI, а во второй LO. Соответственно сигнал CD1 характеризуется в первой половине бит-символа уровнем LO, а во второй — HI. Примеры форм сигналов при манчестерском кодировании представлены на рис. 4.1.1.1.3.

Рис. 4.1.1.1.3 Примеры кодировки с использованием манчестерского кода

Варианты сети Ethernet

Ниже в таблице 4.1.1.1.1 приведены ограничения, налагаемые на сеть Ethernet в целом и на отдельные ее фрагменты.

Таблица 4.1.1.1.1. Возможности различных схем реализации ethernet

Тип кабеля	Толстый (10base5)	Тонкий (10base2)	Скрученная пара (10baseT)
Максимальная длина сети (м)	2500	900	—
Максимальная длина кабельного сегмента (м)	500	185	100
Максимальное число подключений к сегменту	100	30	1
Минимальное расстояние между точками подключения (м)	2.5	0.5	—
Максимальное удаление узлов	5 сегментов и 4 повторителя	5 сегментов и 4 повторителя	5 сегментов и 4 повторителя

Из таблицы видно, что максимальная задержка в сети Ethernet складывается из:

4*t_r (задержка, вносимая повторителями, при их максимальном числе =4; t_r — задержка сигнала в репитере,

В сумме это соответствует

220 бит-тактам. Минимальная длина пакета должна быть больше удвоенного значения этой задержки (выбрано 64 байта = 512 тактов). Если размер пакета меньше 64 байт, добавляются байты-заполнители, чтобы кадр в любом случае имел соответствующий размер. При приеме контролируется длина пакета и, если она превышает 1518 байт, пакет считается избыточным и обрабатываться не будет. Аналогичная судьба ждет кадры короче 64 байт. Любой пакет должен иметь длину, кратную 8 бит (целое число байт). Если в поле адресата содержатся все единицы, адрес считается широковещательным, то есть обращенным ко всем рабочим станциям локальной сети. Пакет Ethernet может нести от 46 до 1500 байт данных.

При подключении ЭВМ к сети непосредственно с помощью переключателя ограничение на минимальную длину кадра теоретически снимается. Но работа с более короткими кадрами в этом случае станет возможной лишь при замене сетевого интерфейса на нестандартный (причем, как у отправителя, так и получателя)!

Структура МАС-адреса

Формат адреса получателя или отправителя (MAC) показан на рис. 4.1.1.1.4. Для передачи данных на физическом уровне используется манчестерский код.

Рис. 4.1.1.1.4. Формат MAC-адреса

В верхней части рисунка указана длина полей адреса, в нижней — нумерация разрядов. Субполе I/G представляет собой флаг индивидуального или группового адреса. I/G=0 — указывает на то, что адрес является индивидуальным адресом сетевого объекта. I/G=1 характеризует адрес как мультикастинговый, в этом случае дальнейшее разбиение адреса на субполя теряет смысл. Субполе UL является флагом универсального или местного управления (определяет механизм присвоения адреса сетевому интерфейсу). U/L=1 указывает на локальную адресацию (адрес задан не производителем и ответственность за уникальность лежит на администраторе LAN). U/L=I/G=0 характерно для стандартных уникальных адресов, присваиваемых интерфейсу его изготовителем. Субполе OUI (organizationally unique identifier) позволяет определить производителя сетевого интерфейса. Каждому производителю присваивается один или несколько OUI. Размер субполя позволяет идентифицировать около 4 миллионов различных производителей. За корректность присвоения уникального адреса интерфейса (OUA — Organizationally unique address) несет ответственность производитель. Двух интерфейсов одного и того же производителя с идентичными номерами не должно существовать. Размер поля позволяет произвести примерно 16 миллионов интерфейсов. Комбинация oui и oua составляют UAA (universally administrated address = IEEE-адрес).

Если в поле кадра протокол/тип записан код менее 1500, то это поле характеризует длину кадра. В противном случае — это код протокола, пакет которого инкапсулирован в кадр Ethernet.

Доступ к каналу Ethernet базируется на алгоритме CSMA/CD (carrier sense multiple access with collision detection). В Ethernet любая станция, подключенная к сети, может попытаться начать передачу пакета (кадра), если кабельный сегмент, к которому она подключена, свободен. Свободен ли сегмент, интерфейс определяет по отсутствию «несущей» в течение 9,6 мксек. Так как первый бит пакета достигает остальных станций сети не одновременно, может случиться, что попытку передачи совершат две или более станций, тем более что задержки в повторителях и кабелях могут достигать достаточно больших величин. Такие совпадения попыток называются столкновениями. Столкновение (коллизия) распознается по наличию в канале сигнала, уровень которого соответствует работе двух или более трансиверов одновременно. При обнаружении столкновения станция прерывает передачу. Возобновление попытки может быть произведено после выдержки (кратной 51,2 мксек, но не превосходящей 52 мсек), значения которой является псевдослучайной величиной и вычисляется каждой станцией независимо (t= RAND(0,2 min(n,10) ), где n — содержимое счетчика попыток, а число 10 — backofflimit).

Обычно после столкновения время разбивается на ряд дискретных доменов с длиной равной удвоенному времени распространения пакета в сегменте (RTT). Для максимально возможного RTT это время равно 512 бит-тактам. После первого столкновения каждая станция ждет 0 или 2 временного домена, прежде чем совершить еще одну попытку. После второго столкновения каждая из станций может выждать 0, 1, 2 или 3 временного домена и т.д.. После n-ого столкновения случайное число лежит в пределах 0 — (2 n — 1). После 10 столкновений максимальное значение случайной выдержки перестает расти и остается на уровне 1023.

Теперь рассмотрим поведение сети при наличии k станций, готовых к передаче [46]. Если некоторая станция осуществляет передачу во время домена доступа с вероятностью p, вероятность того, что станция захватит канал равна:

A достигает максимума при p=1/e. A -> 1/e при k ->∞. Среднее число доменов на один доступ равно 1/А. Так как каждый домен имеет протяженность RTT, то средняя длительность времени доступа составит RTT/A. Если среднее время передачи кадра составляет P секунд, то при большом числе станций, готовых к передаче эффективность канала составит P/(P+RTT/A).

После выдержки станция увеличивает на единицу счетчик попыток и начинает очередную передачу. Предельное число попыток по умолчанию равно 16, если число попыток исчерпано, связь прерывается и выдается соответствующее сообщение. Передаваемый длинный кадр способствует «синхронизации» начала передачи пакетов несколькими станциями. Ведь за время передачи с заметной вероятностью может возникнуть необходимость передачи у двух и более станций. В момент, когда они обнаружат завершение пакета, будут включены таймеры IPG. К счастью информация о завершении передачи пакета доходит до станций сегмента не одновременно. Но задержки, с которыми это связано, являются также причиной того, что факт начала передачи нового пакета одной из станций не становится известным немедленно. При вовлечении в столкновение нескольких станций они могут уведомить остальные станции об этом, послав сигнал «затора» (jam — не менее 32 бит). Содержимое этих 32 бит не регламентируется. Такая схема делает менее вероятным повторное столкновение. Источником большого числа столкновений (помимо информационной перегрузки) может служить запредельная суммарная длина логического кабельного сегмента, слишком большое число повторителей, обрыв кабеля, отсутствие терминатора (50-омного согласователя кабеля) или неисправность одного из интерфейсов. Но сами по себе столкновения не являются чем-то негативным — это механизм, регулирующий доступ к сетевой среде.

Под логическим кабельным сегментом (иногда называемым областью столкновений) подразумевается один или несколько кабельных сегментов, объединенных повторителями. Анализ столкновений является одним из средств эффективной диагностики сети. Локальные столкновения (столкновения на сегменте, к которому непосредственно подключена рабочая станция) порождают укороченные пакеты-фрагменты (ведь их передача прерывается) с длиной менее 64 октетов. Большинство трансиверов и репитеров имеют на своих передних панелях индикаторы столкновений. Блок-схема реализации протокола CSMA/CD показана на рис. 4.1.1.1.4. Особое внимание я бы хотел обратить на влияние сигнала jam. В процессе пересылки столкнувшихся пакетов и за время передачи сигнала jam другие узлы могли захотеть что-то передать. Если таких узлов больше одного, то это приведет к синхронизации начала передачи этими узлами и к увеличению вероятности столкновения. Практически такую «синхронизацию» может осуществить любой достаточно длинный пакет. Такая синхронизация является причиной «коллапса» сети при большой загрузке.

Алгоритм доступа CSMA/CD

Рис. 4.1.1.1.5 Блок-схема реализации алгоритма доступа к сетевой среде CSMA/CD

Метод CSMA/CD создает неопределенность времени доступа к сети, что делает ее неудобной для решения некоторых задач управления в реальном масштабе времени, где требуется малое время реакции системы на внешнее воздействие.

Рис. 4.1.1.1.6 Схема некоторых возможных вариантов подключения рабочих станций к Ethernet

Исторически первой появилась схема подключения к толстому 50-омному коаксиальному кабелю (сегмент 1 на рис. 4.1.1.1.6; Z=50 ±2 Ом) через трансивер и многожильный кабель типа AUI (attachment unit interface, максимальная длина 50 м). Трансивер подключается к кабелю методом «наколки», то есть во внешней оплетке и изоляции сверлится с помощью специального инструмента отверстие и через него осуществляется контакт трансивера с центральной жилой кабеля и экраном. Кабель по возможности не должен содержать сросток, в противном случае его предельная длина должна быть сокращена. Кабельный сегмент должен быть согласован с обоих сторон с помощью терминаторов (50 Ом ±1%). Позднее стала популярной схема соединений через тонкий коаксиальный кабель и t-образные коаксиальные разъемы (волновое сопротивление 50 Ом). В настоящее время наибольшее применение находит схема со специальными многовходовыми повторителями-концентраторами (Hub) и подключением оконечного оборудования через скрученные пары. Для подключения используется 8-контактный разъем RJ-45 (см. приложение 10.17 Разводка разъемов). Этому способствует удешевление категорированных скрученных пар, соответствующих повторителей, а также большая надежность и лучшая ремонтоспособность таких сетей. Следует иметь в виду, что предельные длины для коаксиальных кабелей, приведенные в таблице 4.1.1.1.1 относятся к зарубежным типам, в частности в случае тонкого кабеля — это rg-58. Отечественные разновидности кабеля, например РК-50-2-11, допускают (при максимальной загрузке) длины примерно в 1,3-1,5 раз меньше. Это связано с меньшим сечением центральной жилы и большей вариацией волнового сопротивления. Если же число ЭВМ подключенных к кабельному сегменту много меньше предельного, допускается использование и запредельных длин кабельных сегментов, но это не рекомендуется. Пропускная способность сети с методом доступа csma/cd снижается по мере роста загрузки из-за увеличения вероятности столкновений. По этой причине даже использование 100-мегагерцного ethernet не может гарантировать большей пропускной способности (по сравнению с обычным, см. рис. 4.1.1.1.8) при условии высоких загрузок и, как следствие, высоких вероятностей столкновений. ethernet-интерфейс перед началом передачи контролирует состояние кабельного сегмента (наличие несущей), выжидает некоторое время, если сегмент занят, после чего производит попытку передачи с контролем возможности столкновения.

Если в поле адресата содержатся все единицы, адрес считается широковещательным, то есть обращенным ко всем рабочим станциям локальной сети. Пакет Ethernet может нести от 46 до 1500 байт данных. Схема интерфейса на уровне MAU (Media Attachment Unit) в упрощенном виде имеет вид, показанный на рис. 4.1.1.1.7.

Рис. 4.1.1.1.7. Схема интерфейса на уровне mau

Схема signal quality регистрирует коллизии и другие искажения сигнала и выдает в этом случае флаг SQE (signal quality error). sqe представляет собой сигнал CS0, посылаемый от MAU к DTE (точнее PMA к PLS, см. рис. 4.1.1.1.2). Сигнал SQE посылается mau также в случае завершения процесса передачи (output_idle). Узел isolate служит для блокировки передачи данных в сетевую среду, при этом DTE передает mau сигнал CS0. Суммарная емкостная нагрузка, вносимая mau, не должна превышать 4 пф. Входное сопротивление должно быть более 100 ком, а ток утечки должен лежать в пределах +2 мкА -25мкА. Выходной драйвер mau при передаче выдает в кабель -90 ±4мa (эквивалентно -2,05В на нагрузке 25 Ом). Предельное ослабление сигнала на длине 500 м не должно превышать 8,5 дБ (на частоте 10МГц).

При передаче сигнал распространяется в обоих направлениях по кабелю от точки подключения интерфейса. При использовании тонкого кабеля интерфейс должен иметь максимально большое входное сопротивление и минимально возможную входную емкость, чтобы вносить минимальные искажения для сигналов, распространяющихся по сегменту. В случае работы со скрученными парами на «кабельный сегмент» подключается только один интерфейс. Максимальное время прохождения сигнала между узлами сети, принадлежащих одному сегменту, называется окном коллизий и является важной рабочей характеристикой.

Помимо столкновений в сети может быть зарегистрировано появление ложной несущей (FCE — false carrier event) — битовая последовательность не имеет байта SFD, соответствующего конкретному типу физической среды. Появление ложной несущей обычно связано с состоянием кабеля или шумами. Если фиксируется появление двух ложных несущих подряд, повторитель должен отключить порт (перевести в состояние link unstable) и послать сигнал jam во все остальные порты. Сигнал jam должен продолжаться до конца потока данных, вызвавшего появление ложной несущей. Если канал восстановлен, повторитель переводит порт в нормальное состояние. Отключение порта возможно также при возникновении множественных коллизий (ECE — excessive collision error) — более 60 коллизий подряд. После блокировки порта он будет восстановлен, если в течении 500 тактов коллизии не обнаружены или при повторном включении повторителя. Если рассмотреть зависимость пропускной способности сети L от ее суммарной загрузки L_in, мы для Ethernet получим кривую, показанную на рис. 4.1.1.1.8.

Нагрузочная способность сети

Рис. 4.1.1.1.8. Зависимость пропускной способности l_in сети со схемой доступа CSMA/CD от суммарной загрузки l

Вначале эта зависимость линейна и на участке А пропускная способность удовлетворительна. Но при больших входных загрузках из-за коллизий сначала наступает насыщение, а затем и резкий спад (Ethernet collapse). Это свойство сетей с CSMA/CD дает определенные преимущества сетям с маркерным доступом: Token Ring, FDDI и др..

При диагностировании сетей не всегда под руками может оказаться настоящий сетевой тестер типа Wavetek, и часто приходится довольствоваться обычным авометром. В этом случае может оказаться полезной таблица 4.1.1.1.2, где приведены удельные сопротивления используемых сетевых кабелей. Произведя измерение сопротивления сегмента, вы можете оценить его длину.

Таблица 4.1.1.1.2 Сопротивление кабеля по постоянному току
(Handbook of LAN Cable Testing. Wavetek Corporation, California)

Коаксиал		Ом/сегмент	Максимальная длина сегмента
10base5		5	500 м
10base2		10	185 м
Скрученная пара	Ом/100 м
24 awg	18,8
22 awg	11,8

Данные, приведенные в таблице, могут использоваться для оперативной предварительной оценки качества кабельного сегмента (соответствует стандарту EIA/TIA 568, 1991 год).

Помимо уже описанных модификаций сетей ethernet в последнее время получили распространение сети для частот 100 Мбит/с, которые базируются на каналах, построенных из скрученных пар или оптоволоконных кабелей. Оптические связи используются и в обычном 10-мегагерцном ethernet (10base-FL, стандарт разработан в 1980 году, см. рис. 4.1.1.1.9).

Оптоволокнонная версия Ethernet

Оптоволоконная версия Ethernet привлекательна при объединении сегментов сети, размещенных в различных зданиях, при этом увеличивается надежность сети, так как ослабляется влияние электромагнитных наводок, исключается влияние различия потенциалов земли этих участков сети. Облегчается переход от 10- к 100-мегагерцному Ethernet, также можно использовать уже имеющиеся оптоволоконные каналы, ведь они будут работать и на 100 Мбит/с (возможна реализация сетей со смешанной структурой, где используется как 100- так и 10-мегагерцное оборудование). На программном уровне 10- и 100-МГц ethernet не различимы. Требования к параметрам опто-волоконных кабелей не зависят от используемого протокола (FDDI, Token Ring, Fast Ethernet и т.д.) и определяются документом EN 50173 (European norm). Это утверждение не относится к топологии кабельных связей, которые в общем случае зависят от используемого протокола. При работе с оптоволоконными системами необходимы специальные тестеры, способные измерять потери света и отражения методом OTDR (рефлектометрия с использованием метода временных доменов). При пассивной звездообразной схеме длины оптоволоконных сегментов могут достигать 500 метров, а число подключенных ЭВМ — 33. Для передачи сигналов используются многомодовые волокна (MMF) с диаметром ядра 62,5 микрон и клэдинга 125 микрон. Длина волны излучения равна 850 (или 1350) нанометров при ослаблении сигнала в кабельном сегменте не более 12,5 дБ. Обычный кабель имеет ослабление 4-5 дБ/км или даже менее. Оптические разъемы должны соответствовать требования стандарта ISO/IEC BFOC/2,5 и вносить ослабление не более 0,5 — 2,0 дБ. Количество используемых mau в логическом сегменте не должно превышать двух.

Рис. 4.1.1.1.9. Схема 10-мегагерцного оптоволоконного Ethernet (для 100 Мбит/с схема с минимальными модификациями аналогична).

На данном рисунке видно, что соединения повторителя с FOMAU является дуплексным, аналогичные возможности предоставляют многие современные переключатели. Полно дуплексное подключение оборудование во многих случаях может обеспечить практическое удвоение скорости обмена и, что возможно более важно, исключить столкновения пакетов. Схема полно дуплексного соединения показана на рис. 4.1.1.1.10.

Рис. 4.1.1.1.10. Схеме реализации полно дуплексного канала Ethernet. (Буква К с цифрой отмечает номера ножек контактов разъема)

При практической реализации локальной сети обычно возникает проблема защиты и заземления. Если этой проблеме не уделить внимание в самом начале она даст о себе знать позднее и обойдется ее решение дороже. Можно выделить три аспекта. Безопасность персонала, работающего с ЭВМ и сетевым оборудованием, устойчивость к внешним наводкам и помехам, а также безопасность самого сетевого оборудования (противостояние грозовым разрядам или резким скачкам в сети переменного тока (обычно

220 В)). Безопасность персонала обеспечивается тем, что все объекты, за которые может взяться человек, должны иметь равные потенциалы и в любом случае разница потенциалов не должна превышать 50 вольт. При работе с коаксиальным кабелем существуют рекомендации его заземления в одной точке. Возникает вопрос, что делать с заземлением экранов в случае использования экранированных скрученных пар? Этой проблеме посвящена, например, статья в журнале LANline Special Juli/August 2002 страницы 27-32. Следует сразу заметить, что нужно избегать совмещения применения экранированных и неэкранированных скрученных пар в пределах одной системы. Представляется также естественной и разумной зонная концепция, рассматриваемая в упомянутой статье. На рис. 1. показана схема защиты. Эта схема содержит защитные выключатели на случай грозы или бросков напряжения (линия L). Буквой N обозначена нулевая (нейтральная) шина, а буквами PE — защитная шина.

Система заземлений при построении сети

Рис. 4.1.1.1.11. Схема защиты для случая использования экранированных скрученных пар

Рис. 4.1.1.1.12. Зоны заземлений

Земли-экраны соседних зон соединяются только в одной точке. Между зонами могут включаться пограничные устройства фильтрации, предназначенные для снижения уровня шумов и помех. В пределах зоны все устройства должны быть эквипотенциальны. Это достигается за счет подключения к общему экрану.

Следует учитывать, что для сетей Ethernet практически нет ограничений по размеру (за счет использования оптоволоконных переключателей). Сеть может быть локальной, общегородской или даже междугородней. Надо только помнить, что число машин в такой сети ограничивается имеющейся емкостью таблиц переадресации сетевых переключателей (switch), на базе которых построена эта сеть.

В марте 2018 года на заседании IEEE 802.3cg Task Force был обсужден проект стандарта Ethernet, использующего одну скрученную пару (см. «Reversing course – single-pair Ethernet cabling is the future, Dan Payerle Barrera, Network World, May 8, 2018). Ожидается, что окончательная версия стандарта будет утверждена в июне 2019 года. Рассматривается также версия 802.3bu точка-точка, где питание будет подаваться по информационным проводам. Стандарты ISO 11801-9906 Ed. 1 и 11801-6 Ed.1/Amd.1 будут определять спецификации кабелей для 10/100/1,000 Mбит/сек для одной скрученной пары. Вероятно, в новом стандарте будет использоваться разъем, отличный от RJ45.

Какой метод доступа используется в сетях с архитектурой ethernet

Метод доступа CSMA/CD

В сетях Ethernet используется метод доступа к среде передачи данных, называемый методом коллективного доступа с опознаванием несущей и обнаружением коллизий (carrier-sense-multiply-access with collision detection, CSMA/CD).

Этот метод применяется исключительно в сетях с логической общей шиной (к которым относятся и радиосети, породившие этот метод). Все компьютеры такой сети имеют непосредственный доступ к общей шине, поэтому она может быть использована для передачи данных между любыми двумя узлами сети. Одновременно все компьютеры сети имеют возможность немедленно (с учетом задержки распространения сигнала по физической среде) получить данные, которые любой из компьютеров начал передавать на общую шину. Простота схемы подключения — это один из факторов, определивших успех стандарта Ethernet. Говорят, что кабель, к которому подключены все станции, работает в режиме коллективного доступа (Multiply Access, MA).

Этапы доступа к среде

Все данные, передаваемые по сети, помещаются в кадры определенной структуры и снабжаются уникальным адресом станции назначения.
Чтобы получить возможность передавать кадр, станция должна убедиться, что разделяемая среда свободна. Это достигается прослушиванием основной гармоники сигнала, которая также называется несущей частотой (carrier-sense, CS). Признаком незанятости среды является отсутствие на ней несущей частоты, которая при манчестерском способе кодирования равна 5-10 МГц, в зависимости от последовательности единиц и нулей, передаваемых в данный момент.

Если среда свободна, то узел имеет право начать передачу кадра. Этот кадр изображен на риснке первым. Узел 1 обнаружил, что среда свободна, и начал передавать свой кадр. В классической сети Ethernet на коаксиальном кабеле сигналы передатчика узла 1 распространяются в обе стороны, так что все узлы сети их получают. Кадр данных всегда сопровождается преамбулой (preamble),которая состоит из 7 байт, состоящих из значений 10101010, и 8-го байта, равного 10101011. Преамбула нужна для вхождения приемника в побитовый и побайтовый синхронизм с передатчиком.

Все станции, подключенные к кабелю, могут распознать факт передачи кадра, и та станция, которая узнает собственный адрес в заголовках кадра, записывает его содержимое в свой внутренний буфер, обрабатывает полученные данные, передает их вверх по своему стеку, а затем посылает по кабелю кадр-ответ. Адрес станции источника содержится в исходном кадре, поэтому станция-получатель знает, кому нужно послать ответ.

Узел2 во время передачи кадра узлом 1 также пытался начать передачу своего кадра, однако обнаружил, что среда занята — на ней присутствует несущая частота, — поэтому узел 2 вынужден ждать, пока узел 1 не прекратит передачу кадра.

После окончания передачи кадра все узлы сети обязаны выдержать технологическую паузу (Inter Packet Gap) в 9,6 мкс. Эта пауза, называемая также межкадровым интервалом, нужна для приведения сетевых адаптеров в исходное состояние, а также для предотвращения монопольного захвата среды одной станцией. После окончания технологической паузы узлы имеют право начать передачу своего кадра, так как среда свободна. Из-за задержек распространения сигнала по кабелю не все узлы строго одновременно фиксируют факт окончания передачи кадра узлом 1.

В приведенном примере узел2 дождался окончания передачи кадра узлом 1, сделал паузу в 9,6 мкс и начал передачу своего кадра.

Возникновение коллизии

При описанном подходе возможна ситуация, когда две станции одновременно пытаются передать кадр данных по общей среде. Механизм прослушивания среды и пауза между кадрами не гарантируют от возникновения такой ситуации, когда две или более станции одновременно решают, что среда свободна, и начинают передавать свои кадры. Говорят, что при этом происходит коллизия (collision),так как содержимое обоих кадров сталкивается на общем кабеле и происходит искажение информации — методы кодирования, используемые в Ethernet, не позволяют выделять сигналы каждой станции из общего сигнала.

ПРИМЕЧАНИЕ Заметим, что этот факт отражен в составляющей «Base(band)», присутствующей в названиях всех физических протоколов технологии Ethernet (например, 10Base-2,10Base-T и т. п.). Baseband network означает сеть с немодулированной передачей, в которой сообщения пересылаются в цифровой форме по единственному каналу, без частотного разделения.

Коллизия — это нормальная ситуация в работе сетей Ethernet. В примере, изображенном на рисунке ниже, коллизию породила одновременная передача данных узлами 3 и 1. Для возникновения коллизии не обязательно, чтобы несколько станций начали передачу абсолютно одновременно, такая ситуация маловероятна. Гораздо вероятней, что коллизия возникает из-за того, что один узел начинает передачу раньше другого, но до второго узла сигналы первого просто не успевают дойти к тому времени, когда второй узел решает начать передачу своего кадра. То есть коллизии — это следствие распределенного характера сети.

Чтобы корректно обработать коллизию, все станции одновременно наблюдают за возникающими на кабеле сигналами. Если передаваемые и наблюдаемые сигналы отличаются, то фиксируется обнаружение коллизии (collision detection, CD).Для увеличения вероятности скорейшего обнаружения коллизии всеми станциями сети станция, которая обнаружила коллизию, прерывает передачу своего кадра (в произвольном месте, возможно, и не на границе байта) и усиливает ситуацию коллизии посылкой в сеть специальной последовательности из 32 бит, называемой jam-последовательностью.

После этого обнаружившая коллизию передающая станция обязана прекратить передачу и сделать паузу в течение короткого случайного интервала времени. Затем она может снова предпринять попытку захвата среды и передачи кадра. Случайная пауза выбирается по следующему алгоритму:

Пауза = L *(интервал отсрочки),

где интервал отсрочки равен 512 битовым интервалам (в технологии Ethernet принято все интервалы измерять в битовых интервалах; битовый интервал обозначается как bt и соответствует времени между появлением двух последовательных бит данных на кабеле; для скорости 10 Мбит/с величина битового интервала равна 0,1 мкс или 100 нс);

L представляет собой целое число, выбранное с равной вероятностью из диапазона [0, 2N], где N — номер повторной попытки передачи данного кадра: 1,2. 10.

После 10-й попытки интервал, из которого выбирается пауза, не увеличивается. Таким образом, случайная пауза может принимать значения от 0 до 52,4 мс.

Если 16 последовательных попыток передачи кадра вызывают коллизию, то передатчик должен прекратить попытки и отбросить этот кадр.

Из описания метода доступа видно, что он носит вероятностный характер, и вероятность успешного получения в свое распоряжение общей среды зависит от загруженности сети, то есть от интенсивности возникновения в станциях потребности в передаче кадров. При разработке этого метода в конце 70-х годов предполагалось, что скорость передачи данных в 10 Мбит/с очень высока по сравнению с потребностями компьютеров во взаимном обмене данными, поэтому загрузка сети будет всегда небольшой. Это предположение остается иногда справедливым и по сей день, однако уже появились приложения, работающие в реальном масштабе времени с мультимедийной информацией, которые очень загружают сегменты Ethernet. При этом коллизии возникают гораздо чаще. При значительной интенсивности коллизий полезная пропускная способность сети Ethernet резко падает, так как сеть почти постоянно занята повторными попытками передачи кадров. Для уменьшения интенсивности возникновения коллизий нужно либо уменьшить трафик, сократив, например, количество узлов в сегменте или заменив приложения, либо повысить скорость протокола, например перейти на Fast Ethernet.

Следует отметить, что метод доступа CSMA/CD вообще не гарантирует станции, что она когда-либо сможет получить доступ к среде. Конечно, при небольшой загрузке сети вероятность такого события невелика, но при коэффициенте использования сети, приближающемся к 1, такое событие становится очень вероятным. Этот недостаток метода случайного доступа — плата за его чрезвычайную простоту, которая сделала технологию Ethernet самой недорогой. Другие методы доступа — маркерный доступ сетей Token Ring и FDDI, метод Demand Priority сетей 100VG-AnyLAN — свободны от этого недостатка.

Время двойного оборота и распознавание коллизий

Четкое распознавание коллизий всеми станциями сети является необходимым условием корректной работы сети Ethernet. Если какая-либо передающая станция не распознает коллизию и решит, что кадр данных ею передан верно, то этот кадр данных будет утерян. Из-за наложения сигналов при коллизии информация кадра исказится, и он будет отбракован принимающей станцией (возможно, из-за несовпадения контрольной суммы). Скорее всего, искаженная информация будет повторно передана каким-либо протоколом верхнего уровня, например транспортным или прикладным, работающим с установлением соединения. Но повторная передача сообщения протоколами верхних уровней произойдет через значительно более длительный интервал времени (иногда даже через несколько секунд) по сравнению с микросекундными интервалами, которыми оперирует протокол Ethernet. Поэтому если коллизии не будут надежно распознаваться узлами сети Ethernet, то это приведет к заметному снижению полезной пропускной способности данной сети.

Для надежного распознавания коллизий должно выполняться следующее соотношение:

где Тmin- время передачи кадра минимальной длины, a PDV — время, за которое сигнал коллизии успевает распространиться до самого дальнего узла сети. Так как в худшем случае сигнал должен пройти дважды между наиболее удаленными друг от друга станциями сети (в одну сторону проходит неискаженный сигнал, а на обратном пути распространяется уже искаженный коллизией сигнал), то это время называется временем двойного оборота (Path Delay Value, PDV).

При выполнении этого условия передающая станция должна успевать обнаружить коллизию, которую вызвал переданный ее кадр, еще до того, как она закончит передачу этого кадра.

Очевидно, что выполнение этого условия зависит, с одной стороны, от длины минимального кадра и пропускной способности сети, а с другой стороны, от длины кабельной системы сети и скорости распространения сигнала в кабеле (для разных типов кабеля эта скорость несколько отличается).

Все параметры протокола Ethernet подобраны таким образом, чтобы при нормальной работе узлов сети коллизии всегда четко распознавались. При выборе параметров, конечно, учитывалось и приведенное выше соотношение, связывающее между собой минимальную длину кадра и максимальное расстояние между станциями в сегменте сети.

В стандарте Ethernet принято, что минимальная длина поля данных кадра составляет 46 байт (что вместе со служебными полями дает минимальную длину кадра 64 байт, а вместе с преамбулой — 72 байт или 576 бит). Отсюда может быть определено ограничение на расстояние между станциями.

Итак, в 10-мегабитном Ethernet время передачи кадра минимальной длины равно 575 битовых интервалов, следовательно, время двойного оборота должно быть меньше 57,5 мкс. Расстояние, которое сигнал может пройти за это время, зависит от типа кабеля и для толстого коаксиального кабеля равно примерно 13 280 м. Учитывая, что за это время сигнал должен пройти по линии связи дважды, расстояние между двумя узлами не должно быть больше 6 635 м. В стандарте величина этого расстояния выбрана существенно меньше, с учетом других, более строгих ограничений.

Одно из таких ограничений связано с предельно допустимым затуханием сигнала. Для обеспечения необходимой мощности сигнала при его прохождении между наиболее удаленными друг от друга станциями сегмента кабеля максимальная длина непрерывного сегмента толстого коаксиального кабеля с учетом вносимого им затухания выбрана в 500 м. Очевидно, что на кабеле в 500 м условия распознавания коллизий будут выполняться с большим запасом для кадров любой стандартной длины, в том числе и 72 байт (время двойного оборота по кабелю 500 м составляет всего 43,3 битовых интервала). Поэтому минимальная длина кадра могла бы быть установлена еще меньше. Однако разработчики технологии не стали уменьшать минимальную длину кадра, имея в виду многосегментные сети, которые строятся из нескольких сегментов, соединенных повторителями.

Повторители увеличивают мощность передаваемых с сегмента на сегмент сигналов, в результате затухание сигналов уменьшается и можно использовать сеть гораздо большей длины, состоящую из нескольких сегментов. В коаксиальных реализациях Ethernet разработчики ограничили максимальное количество сегментов в сети пятью, что в свою очередь ограничивает общую длину сети 2500 метрами. Даже в такой многосегментной сети условие обнаружения коллизий по-прежнему выполняется с большим запасом (сравним полученное из условия допустимого затухания расстояние в 2500 м с вычисленным выше максимально возможным по времени распространения сигнала расстоянием 6635 м). Однако в действительности временной запас является существенно меньше, поскольку в многосегментных сетях сами повторители вносят в распространение сигнала дополнительную задержку в несколько десятков битовых интервалов. Естественно, небольшой запас был сделан также для компенсации отклонений параметров кабеля и повторителей.

В результате учета всех этих и некоторых других факторов было тщательно подобрано соотношение между минимальной длиной кадра и максимально возможным расстоянием между станциями сети, которое обеспечивает надежное распознавание коллизий. Это расстояние называют также максимальным диаметром сети.

С увеличением скорости передачи кадров, что имеет место в новых стандартах, базирующихся на том же методе доступа CSMA/CD, например Fast Ethernet, максимальное расстояние между станциями сети уменьшается пропорционально увеличению скорости передачи. В стандарте Fast Ethernet оно составляет около 210 м, а в стандарте Gigabit Ethernet оно было бы ограничено 25 метрами, если бы разработчики стандарта не предприняли некоторых мер по увеличению минимального размера пакета.

В табл. 1 приведены значения основных параметров процедуры передачи кадра стандарта 802.3, которые не зависят от реализации физической среды. Важно отметить, что каждый вариант физической среды технологии Ethernet добавляет к этим ограничениям свои, часто более строгие ограничения, которые также должны выполняться и которые будут рассмотрены ниже.