Учебно-методическое пособие представляет собой первую часть конспекта лекций по дисциплине «Компьютерные сети и системы» (стр. 13 из 28)
Таким образом, благодаря концентраторам сеть Ethernet приобрела некоторые черты отказоустойчивой системы.
Кроме того, разделение цепей приема и передачи позволяет реализовать полнодуплексный режим (full duplex mode) обмен данными между двумя точками. Однако этот режим уже не может использовать разделяемую среду передачи: для него нужно использовать либо коммутаторы, либо двухточечное соединение узлов.
Ethernet на оптоволоконном кабеле
Версия Ethernet 10Base-F в качестве физической среды передачи использует одномодовые или многомодовые волоконно-оптические кабели, подсоединяемые к волоконно-оптическим концентраторам/повторителям в схеме двухточечной звезды. Эта сеть допускает использование кабельных сегментов длиной до 2 км.
Функционально сеть Ethernet на оптическом кабеле состоит из тех же элементов, что и сеть стандарта 10Base-T – сетевых адаптеров, многопортовых повторителей и отрезков кабеля, соединяющих адаптер с портом повторителя. Как и в случае витой пары, для соединения адаптера с повторителем используются два оптоволокна – одно соединяет выход Tx адаптера со входом Rx концентратора, а другое – вход Rx адаптера с выходом Tx конйентратора. Tрансиверы со стороны сетевого адаптера используют разъем DB-15, а со стороны оптоволоконного кабеля - ST- коннектор.
Как и в стандарте 10Base-T, оптоволоконные стандарты разрешают соединять концентраторы только в древовидные иерархические структуры. Любые петли между портами концентраторов не допускаются.
Интегрированные сети Ethernet
Возможно соединение друг с другом нескольких сетей Ethernet различных спецификаций с целью формирования объединенной сети, используя для этого повторители/концентраторы и мосты/коммутаторы. Пример объединенной сети Ethernet представлен на рис.14.
Рис.14. Объединение сегментов Ethernet в единую сеть.
Концепция интегрированной среды Ethernet привела к определенным изменениям в изготовлении сетевых плат Ethernet, которые в настоящее время одновременно оснащаются разъемами RJ-45, AUI и BNC, обеспечивающими непосредственную интеграцию основных вариантов Ethernet: 10Base-2, 10Base-5 и 10Base-T. В межсетевых устройствах Ethernet, например, в кабельных концентраторах, также используются комбинации точек подключения BNC, RJ-45 и AUI, позволяющие осуществить интерфейс между схемами типа витой пары, толстой и тонкой Ethernet.
Метод доступа к передающей среде CSMA/CD
Метод доступа к передающей среде в сети Ethernet представляет собой протокольный алгоритм доступа, называемый CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection – множественный доступ с опросом несущей и обнаружением конфликтов/коллизий).
В соответствии с алгоритмом CSMA/CD только один узел сети/станция-отправитель может передавать свои данные по кабельной среде Ethernet в каждый конкретный момент времени. Все другие станции, подключенные к кабелю, принимают кадр передающего узла сети, но только станция, которой предназначен передаваемый кадр, записывает его содержимое в свой внутренний буфер, обрабатывает полученные данные, передает их вверх по своему стеку, а затем при необходимости посылает по кабелю кадр-ответ (адрес станции источника содержится в заголовке полученного кадра, поэтому станция-получатель знает, кому нужно послать ответ). Другие станции сети, которым кадр не предназначен, игнорируют его.
Предполагается, что любой узел сети Ethernet, претендующий на передачу своего кадра, начинает передачу только тогда, когда в кабеле отсутствует какой – либо другой поток данных. Контроль несущей (Carrier Sense - CS) означает способность сетевой платы узла-претендента "прослушивать" сеть и выявлять в ней наличие сигналов, связанных с передачей данных каким-либо другим узлом. Признаком занятости среды является присутствие в среде несущей частоты, которая при манчестерском способе кодирования равна 5-10 МГц (в зависимости от последовательности нулей и единиц, передаваемых в данный момент). Если несущая частота присутствует, то сетевая плата должна ожидать завершения передачи кадра, занимающего среду передачи.
Множественный доступ (Multiple Access - MA) означает, что все узлы сети равноправны, и каждый узел сети может начать передачу своих данных в произвольный момент времени при условии, что передающая среда свободна.
После окончания передачи текущего кадра все узлы сети должны выдержать технологическую паузу (InterPacket Gap (IPG) – межпакетный зазор) в течение
9.6 мкс. Эта пауза, называемая также межкадровым интервалом или межкадровым зазором, нужна для приведения сетевых адаптеров всех станций сети в исходное состояние, а также для предотвращения монопольного захвата среды какой-либо одной станцией. После окончания технологической паузы узлы-претенденты имеют право начать передачу своего кадра, т.к. теперь среда заведомо свободна.
Отметим, что из-за задержек распространения сигнала по кабелю не все узлы строго одновременно фиксируют факт окончания передачи кадра другой станцией, поэтому возможна ситуация, когда два узла практически одновременно пытаются начать передачу своего кадра. Говорят, что при этом происходит коллизия (конфликт), т.к. содержимое двух кадров сталкивается на общем кабеле и происходит искажение сигнала. Конфликты – это нормальная ситуация в сети Ethernet, они не представляют угрозы для работоспособности сети.
Адаптер считает, что ему удалось получить доступ к среде передачи, если он не обнаружил коллизий при передаче первых 64 байт кадра, в противном случае фиксируется коллизия. Ситуация, когда коллизия обнаружена позже 64-байтового окна, называется поздней коллизией и является ненормальной для сети Ethernet.
В сети Ethernet передатчик является источником тока 40 мА, приемник – детектором уровня напряжения с высоким входным сопротивлением. Два терминатора образуют нагрузку с общим сопротивлением постоянному току 25 Ом (с учетом сопротивления кабеля эта нагрузка может доходить до 30 Ом), так что на номинальной нагрузке ток 40мА вызывает падение постоянного напряжения в 1 В. Порог срабатывания детектора коллизий (1.5-1.6 В) выбирается с таким расчетом, чтобы сигнал от одного передатчика гарантированно не приводил к срабатыванию детектора, а сумма сигналов от двух передатчиков вызывала его срабатывание, причем для самых худших случаев.
Для возникновения коллизии совсем не обязательно, чтобы несколько станций начали передачу абсолютно одновременно (такая ситуация маловероятна). Намного вероятнее, что коллизия возникнет из-за того, что один узел начинает передачу немного раньше другого, но к моменту времени, когда второй узел также решает начать передачу, до второго узла сигналы от первого узла еще не успели дойти.
За обнаружение конфликтов в сети отвечают секции трансиверов и сетевые платы узлов Ethernet. В сетях Ethernet, использующих стандарт передачи кадров Ethernet II (см. ниже), добавлена функция контроля детектора коллизий, обеспечиваемая специальным механизмом тестирования SQE (Signal Quality Error – ошибка качества сигнала). Через 0.6 мкс от начала интервала IPG определено так называемое окно тестирования цепей детектора коллизий размером 1.4 мкс. В это время трансивер, передавший кадр, формирует специальный тестовый сигнал SQE, по которому адаптер определяет работоспособность детектора коллизий. Сигнал SQE в общую среду не поступает, он передается только между трансивером и адаптером одного и того же узла сети.
Тестирование типа SQE несовместимо с работой стандартных устройств передачи кадров Ethernet 802.3, например, повторителей. По этой причине в большинстве сетей типа тонкой Ethernet и Ethernet на витой паре у сетевых карт или трансиверов, обладающих способностью SQE, эта функция обычно заблокирована.
Чтобы корректно обработать коллизию, все станции одновременно наблюдают за возникающими на кабеле сигналами. Для увеличения надежности обнаружения коллизии всеми станциями сети станция, которая первая обнаруживает возникшую коллизию, прерывает передачу своего кадра (в произвольном месте, возможно, и не на границе байта) и усиливает конфликтную ситуацию посылкой в сеть специальной 32-битной последовательности, называемой jam – последовательностью. Этот процесс называется запиранием (jamming) и обеспечивает гарантированное распространение извещения о конфликте на все станции сети Ethernet, чтобы они воздержались от попыток передачи своих данных.
Станции остаются в бездействии в течение случайного интервала времени, после чего вновь пытаются начать передачу. Случайная пауза выбирается по следующему алгоритму:
Пауза = L * <интервал отсрочки>
где интервал отсрочки равен 512 битовым интервалам (51.2 мкс), L – целое число, выбранное с равной вероятностью из диапазона [0,2n], n – номер повторной попытки передачи данного кадра (n = 1..10). После десятой попытки интервал не увеличивается, так что случайная пауза может составлять 0 (сразу же после зазора)..52,4 мс (L=1024). Если 16 последовательных попыток передачи кадра вызывают коллизию, то передатчик должен прекратить попытки передачи и отбросить данный кадр.
Из описания метода доступа видно, что метод доступа CSMA/CD имеет вероятностный характер, причем вероятность успешного получения в свое распоряжение разделяемой среды зависит от загруженности сети. При значительной интенсивности коллизий полезная пропускная способность сети Ethernet резко падает, т.к. сеть почти постоянно будет занята повторными попытками передачи кадров из-за коллизий.
Таким образом, главный потенциальный недостаток сети Ethernet заключается в том, что сетевой поток в ней управляется статистически. Администраторы сети не могут гарантировать, что критически важные сообщения будут переданы по сети без временных задержек. Этот недостаток метода случайного доступа является закономерной платой за его чрезвычайную простоту, которая сделала технологию Ethernet самой недорогой и популярной.