3.3.4. Специфікації фізичного середовища Ethernet

Історично перші мережі технології Ethernet були створені на коаксіальному кабелі діаметром 0,5 дюйма. Згодом були визначені й інші специфікації фізичного рівня для стандарту Ethernet, що дозволяють використовувати різні середовища передачі даних. Метод доступу CSMA/CD і всі тимчасові параметри залишаються тими самими для будь-якої специфікації фізичного середовища технології Ethernet 10 Мбіт/с.

Фізичні специфікації технології Ethernet на сьогоднішній день включають наступні середовища передачі даних.

Число 10 у зазначених вище назвах позначає бітову швидкість передачі даних цих стандартів — 10 Мбіт/с, а слово Base — метод передачі на одній базової частоти 10 МГц (на відміну від методів, що використовують кілька несучих частот, що називаються Broadband — широкополосними). Останній символ у назві стандарту фізичного рівня позначає тип кабелю.

Стандарт 10Base-5

Стандарт l0Base-5 в основному відповідає експериментальній мережі Ethernet фірми Xerox і може вважатися класичним Ethernet. Він використовує як середовище передачі даних коаксіальний кабель із хвильовим опором 50 Ом, діаметром центрального мідного проводу 2,17 мм і зовнішнім діаметром близько 10 мм (“товстий” Ethernet). Такими характеристиками володіють кабелі марок RG-8 і HRG-11.

Різні компоненти мережі, яка складається з трьох сегментів, з'єднаних повторювачами, виконаної на товстому коаксіалі, показані на мал. 3.7.

Малл.3.7. Компоненти фізичного рівня мережі стандарту 10Base-5, яка складається з трьох сегментів

Кабель використовується як моно канал для всіх станцій. Сегмент кабелю має максимальну довжину 500 м (без повторювачів) і повинний мати на кінцях термінатори з опором 50 Ом, що поглинають сигнали, які поширюються по кабелю, і перешкоджають виникненню відбитих сигналів. При відсутності термінаторів (“заглушок”) у кабелі виникають стоячі хвилі, так що одні вузли одержують могутні сигнали, а інші — настільки слабкі, що їхній прийом стає неможливим.

Станція повинна підключатися до кабелю за допомогою прийомопередатчика — трансівера (transmitter+receiver = transceiver). Трансівер установлюється безпосередньо на кабелі і живиться від мережного адаптера комп'ютера. Трансівер може приєднуватися до кабелю як методом проколювання, що забезпечує безпосередній фізичний контакт, так і безконтактним методом.

Трансівер з'єднується з мережним адаптером інтерфейсним кабелем АUI (Attachment Unit Interface) довжиною до 50 м, що складається з 4 кручених пар (адаптер повинний мати роз'єм AUI). Наявність стандартного інтерфейсу між трансівером і іншою частиною мережного адаптера дуже корисно при переході з одного типу кабелю на іншій. Для цього досить тільки замінити Трансівер, а інша частина мережного адаптера залишається незмінною, тому що вона відпрацьовує протокол рівня MAC. При цьому необхідно тільки, щоб новий трансівер (наприклад, трансівер для кручений пари) підтримував стандартний інтерфейс AUI. Для приєднання до інтерфейсу AUI використовується роз'єм DB-15.Допускається підключення до одного сегмента не більш 100 трансіверов, причому відстань між підключеннями трансіверов не повинне бути менше 2,5 м. На кабелі мається розмітка через кожні 2,5 м, що позначає точки підключення трансіверов. При приєднанні комп'ютерів відповідно до розмітки вплив стоячих хвиль у кабелі на мережні адаптери зводиться до мінімуму.

Трансівер — це частина мережного адаптера, що виконує наступні функції:

Останню функцію іноді називають "контролем балакучості", що є буквальним перекладом відповідного англійського терміна (jabber control). При виникненні несправностей в адаптері може виникнути ситуація, коли на кабель буде безупинно видаватися послідовність випадкових сигналів. Тому що кабель — це загальне середовище для всіх станцій, то робота мережі буде заблокована одним несправним адаптером. Щоб цього не трапилось, на виході передавача ставиться схема, що перевіряє час передачі кадру. Якщо максимально можливий час передачі пакета перевищується (з деяким запасом), то ця схема просто від'єднує вихід передавача від кабелю. Максимальний час передачі кадру (разом із преамбулою) дорівнює 1221 мкс, а час jabber-контролю встановлюється рівним 4000 мкс (4 мс).

Спрощена структурна схема трансівера показана на мал. 3.8. Передавач і приймач приєднуються до однієї точки кабелю за допомогою спеціальної схеми, наприклад трансформаторної, що дозволяє організувати одночасну передачу і прийом сигналів з кабелю.

Детектор колізій визначає наявність колізії в коаксіальному кабелі по підвищеному рівню постійної складової сигналів. Якщо постійна складова перевищує визначений поріг (близько 1,5 В), то виходить, що на кабель працює більш одного передавача. Елементи, що розв'язують, (РЭ) забезпечують гальванічну розв'язку трансівера від іншої частини мережного адаптера і тим самим захищають адаптер і комп'ютер від значних перепадів напруги, які виникають на кабелі при його ушкодженні.

Мал.3.8. Структурна схема трансівера

Стандарт l0Base-5 визначає можливість використання в мережі спеціального пристрою - повторювача (repeator). Повторювач служить для об'єднання в одну мережу декількох сегментів кабелю і збільшення тим самим загальної довжини мережі. Повторювач приймає сигнали з одного сегмента кабелю і побітно синхронно повторює їх в іншому сегменті, поліпшуючи форму і потужність імпульсів, а також синхронізуючи імпульси. Повторювач складається з двох (чи декількох) трансіверов, що приєднуються до сегментів кабелю, а також блоку повторення зі своїм тактовим генератором. Для кращої синхронізації переданих біт повторювач затримує передачу декількох перших біт преамбули кадру, за рахунок чого збільшується затримка передачі кадру із сегмента на сегмент, а також трохи зменшується міжкадровий інтервал IPG.

Стандарт дозволяє використання в мережі не більш 4 повторювачів і, відповідно, не більш 5 сегментів кабелю. При максимальній довжині сегмента кабелю в 500 м це дає максимальну довжину мережі l0Base-5 у 2500 м. Тільки 3 сегменти з 5 можуть бути навантаженими, тобто такими, до яких підключаються кінцеві вузли. Між навантаженими сегментами повинні бути ненавантажені сегменти, так що максимальна конфігурація мережі являє собою два навантажених крайніх сегменти, що з'єднуються ненавантаженими сегментами ще з одним центральним навантаженим сегментом. На мал. 3.7 був приведений приклад мережі Ethernet, що складає з трьох сегментів, об'єднаних двома повторювачами. Крайні сегменти є навантаженими, а проміжний — ненавантаженим.

Правило застосування повторювачів у мережі Ethernet l0Base-5 зветься "правило 5-4-3": 5 сегментів, 4 повторювачі, 3 навантажених сегменти. Обмежене число повторювачів мотивується додатковими затримками поширення сигналу, які вони вносять. Застосування повторювачів збільшує час подвійного поширення сигналу, що для надійного розпізнавання колізій не повинно перевищувати час передачі кадру мінімальної довжини, тобто кадру в 72 байт чи 576 біт.

Кожен повторювач підключається до сегмента одним своїм трансивером, тому до навантажених сегментів можна підключити не більше 99 вузлів. Максимальне число кінцевих вузлів у мережі 10Base-5 за таким способом складає 99х3=297 вузлів.

До достоїнств стандарту l0Base-5 відносяться:

Недоліками l0Base-5 є:


Стандарт 10Base-2

Стандарт 10Base-2 використовує як передавальне середовище коаксіальний кабель з діаметром центрального мідного проводу 1,89 мм і зовнішнім діаметром біля 5 мм ("тонкий" Ethernet). Кабель має хвильовий опір 50 Ом. Такими характеристиками володіють кабелі марок RG-58/U, RG-58A/U, RG-58C/U.

Максимальна довжина сегмента без повторювачів складає 185 м, сегмент повинний мати на кінцях погоджуючи термінатори з опором 50 Ом. Тонкий коаксіальний кабель дешевше товстого, через що мережі l0Base-2 іноді називають мережами Cheapernet (від cheaper — більш дешевий). Але за дешевизну кабелю приходиться розплачуватися якістю — "тонкий2 коаксіал має гіршу перешкодозахищеність, гіршою механічну міцністю і більш вузькою смугою пропущення.

Станції підключаються до кабелю за допомогою високочастотного BNC Т-конектора, що являє собою трійник, один відвід якого з'єднується з мережним адаптером, а два інших — із двома кінцями розриву кабелю. Максимальна кількість станцій, що підключаються до одного сегмента, — 30. Мінімальна відстань між станціями —1м. Кабель "тонкого" коаксіалу має розмітку для підключення вузлів із кроком у 1 м.

Стандарт l0Base-2 також передбачає використання повторювачів, застосування яких також повинно відповідати "правилу 5-4-3". У цьому випадку мережа буде мати максимальну довжину в 5х185=925 м. Очевидно, що це обмеження є більш сильним, чим загальне обмеження в 2500 метрів.

УВАГА !
Для побудови коректної мережі Ethernet потрібно дотриматися багатьох обмежень, причому деякі з них відносяться до одних  тих же самих параметрів мережі — наприклад, максимальна довжина чи максимальна кількість комп'ютерів у мережі повинні задовольняти одночасно декільком різним умовам. Коректна мережа Ethernet повинна відповідати всім вимогам, але на практиці потрібно задовольнити тільки найбільш тверді. Так, якщо в мережі Ethernet не повинно бути більш 1024 вузлів, а стандарт l0Bose-2 обмежує число навантажених сегментів трьома, то загальна кількість вузлів у мережі l0Bose-2 не повинна перевищувати 29х3=87. Менш тверде обмеження в 1024 кінцевих вузла в мережі l0Base-2 ніколи не досягається.

Стандарт l0Base-2 дуже близький до стандарту l0Base-5. Але трансівери в ньому об'єднані з мережними адаптерами за рахунок того, що більш гнучкий тонкий коаксіальний кабель може бути підведений безпосередньо до вихідного розйому плати мережного адаптера, встановленого в шасі комп'ютера. Кабель у даному випадку "висить" на мережному адаптері, що утрудняє фізичне переміщення комп'ютерів.

Типовий склад мережі стандарту l0Base-2, що складає з одного сегмента кабелю, показаний на мал. 3.9.

Мал.3.9. Мережа стандарту 10Base-2

Реалізація цього стандарту на практиці приводить до найбільш простого рішення для кабельної мережі, тому що для з'єднання комп'ютерів вимагаються тільки мережні адаптери, Т-конектори і термінатори 50 Ом. Однак цей вид кабельних з'єднань найбільше сильно підданий аваріям і збоям: кабель більш схильний до сприймання перешкод, ніж "товстий" коаксіал, у моноканалі мається велика кількість механічних з'єднань (кожен Т-конектор дає три механічних з'єднання, два з який мають життєво важливе значення для всієї мережі), користувачі мають доступ до розйомів і можуть порушити цілісність моноканалу. Крім того, естетика і ергономічність цього рішення залишають бажати кращого, тому що від кожної станції через Т-конектор відходять два досить помітних проводи, що під столом часто утворять моток кабелю — запас, необхідний на випадок навіть невеликого переміщення робочого місця.

Загальним недоліком стандартів l0Base-5 і l0Base-2 є відсутність оперативної інформації про стан моноканалу. Ушкодження кабелю виявляється відразу ж (мережа перестає працювати), але для пошуку відрізка кабелю, що відмовив, необхідний спеціальний прилад - кабельний тестер.


Стандарт 1OBase-Т

Стандарт прийнятий у 1991 році, як доповнення до існуючого набору стандартів Ethernet, і має позначення 802.3L.

Мережі 10Base-Т використовують як середовище дві неекрановані кручені пари (Unshielded Twisted Pair, UTP). Багатопарний кабель на основі неекранованої кручений пари категорії 3 (категорія визначає смугу пропущення кабелю, величину перехресних наведень NEXT і деякі інші параметри його якості) телефонні компанії вже досить давно використовували для підключення телефонних апаратів усередині будинків. Цей кабель носить також назву Voice Grade, що говорить про те, що він призначений для передачі голосу.

Ідея пристосувати цей популярний вид кабелю для побудови локальних мереж виявилася дуже плідною, тому що багато будинків вже були оснащені потрібною кабельною системою. Залишалося розробити спосіб підключення мережних адаптерів і іншого комунікаційного устаткування до крученого парі таким чином, щоб зміни в мережних адаптерах і програмного забезпечення мережних операційних систем були б мінімальними в порівнянні з мережами Ethernet, на коаксіалі. Це вдалося, тому перехід на кручену пару вимагає тільки заміни трансівера мережного адаптера чи порту маршрутизатора, а метод доступу і всі протоколи канального рівня залишилися тими ж, що й у мережах Ethernet на коаксіале.

Кінцеві вузли з'єднуються по топології "точка-точка" зі спеціальним пристроєм — багато портовим повторювачем за допомогою двох кручених пар. Одна кручена пара потрібна для передачі даних від станції до повторювача (вихід Тх мережного адаптера), а інша — для передачі даних від повторювача до станції (вхід Rx мережного адаптера). На мал. 3.10 показано приклад трьох портового повторювача. Повторювач приймає сигнали від одного з кінцевих вузлів і синхронно передає їх на всі свої інші порти, з якого надійшли сигнали.

Багато портові повторювачі в даному випадку звичайно називаються концентраторами (англомовні терміни — hub чи concentrator). Концентратор здійснює функції повторювача сигналів на всіх відрізках кручених пар, підключених до його портів, так що утвориться єдине середовище передачі даних — логічний моноканал (логічна загальна шина). Повторювач, виявляє колізію в сегменті у випадку одночасної передачі сигналів по декількох своїх Rx-входах і посилає jam-послідовність на усі свої Тх - виходи. Стандарт визначає бітову швидкість передачі даних 10 Мбіт/с і максимальну відстань відрізка кручений пари між двома безпосередньо зв'язаними вузлами (станціями і концентраторами) не більш 100 м при наявності крученої пари якості не нижче категорії 3. Ця відстань визначається смугою пропущення кручений пари — на довжині 100 м вона дозволяє передавати дані зі швидкістю 10 Мбіт/с при використанні манчестерського коду.

Мал. 3.10. Мережа стандарту 10Base-T: Tx - передавач; Rx - приймач

Концентратори l0Base-T можна з'єднувати один з одним за допомогою тих же портів, що призначені для підключення кінцевих вузлів. При цьому потрібно подбати про те, щоб передавач і приймач одного порту були з'єднані відповідно з приймачем і передавачем іншого.

Мал. 3.11. Ієрархічне з'єднання концентраторів Ethernet

Для забезпечення синхронізації станцій при реалізації процедур доступу CSMA/CD і надійного розпізнавання станціями колізій у стандарті визначене максимальне число концентраторів між будь-якими двома станціями мережі в 4. Це правило зветься "правило 4-х хабів" і воно заміняє "правило 5-4-3", яке застосовується до коаксіальних мереж. При створенні мережі l0Base-T з великим числом станцій концентратори можна з'єднувати один з одним ієрархічним способом, утворюючі деревоподібну структуру (мал. 3.11).

УВАГА !
 Петлевидне з'єднання концентраторів у стандарті l0Base-T заборонено, тому що воно приводить до некоректної роботи мережі. Ця вимога означає, що в мережі l0Base-T не дозволяється створювати рівнобіжні канали зв'язку між критично важливими концентраторами для резервування зв'язків на випадок відмовлення порту концентратора чи кабеля. Резервування зв'язків можливо тільки за рахунок переведення одного з рівнобіжних зв'язків у неактивний (заблокований) стан.

Загальна кількість станцій у мережі l0Base-T не повинна перевищувати 1024, і для даного типу фізичного рівня ця кількість дійсна можна досягти. Для цього досить створити дворівневу ієрархію концентраторів, розташувавши на нижньому рівні достатню кількість концентраторів із загальною кількістю портів 1024 (мал. 3.12). Кінцеві вузли потрібно підключити до портів концентраторів нижнього рівня. Правило 4-х хабів при цьому виконується - між будь-якими кінцевими вузлами буде дорівнювати 3 концентраторам.

Мал. 3.12. Схема з максимальною кількістю станцій

Максимальна довжина мережі в 2500 м тут розуміється, як максимальна відстань між будь-якими двома кінцевими вузлами мережі (часто застосовується також термін "максимальний діаметр мережі"). Очевидно, що якщо між будь-якими двома вузлами мережі не повинно бути більше 4-х повторювачів, то максимальний діаметр мережі l0Base-T складає 5х100= 500 м. Мережі, побудовані на основі стандарту l0Base-T, володіють у порівнянні з коаксіальними варіантами Ethernet багатьма перевагами. Ці переваги зв'язані з поділом загального фізичного кабелю на окремі кабельні відрізки, підключені до центрального комунікаційного пристрою. І хоча логічно ці відрізки як і раніше утворять загальне поділюване середовище, їхній фізичний поділ дозволяє контролювати їх стан і відключати у випадку обриву, короткого замикання чи несправності мережного адаптера на індивідуальній основі. Це обставина істотна полегшує експлуатацію великих мереж Ethernet, тому що концентратор звичайно автоматично виконує такі функції, повідомляючи при цьому адміністратора мережі про виниклу проблему.

У стандарті l0Base-T визначена процедура тестування фізичної працездатності двох відрізків крученої пари, що з'єднують трансівер кінцевого вузла і порт повторювача. Ця процедура називайся тестом зв’язності (link test), і вона заснована на передачі кожні 16 мс спеціальних імпульсів J і К манчестерського коду між передавачем і приймачем кожної крученої пари. Якщо тест не проходить, то порт блокується і відключає проблемний вузол від мережі. Тому що коди і J і К є забороненими при передачі кадрів, то тестові послідовності не впливають на роботу алгоритму доступу до середовища.

Поява між кінцевими вузлами активного пристрою, що може контролювати роботу вузлів і ізолювати від мережі некоректно працюючі, є головною перевагою технології l0Base-T у порівнянні зі складними в експлуатації коаксіальними мережами. Завдяки концентраторам мережа Ethernet придбала деякі риси відмовостійкійкої системи.


Оптоволоконий Ethernet

Як середовище передачі даних 10 мегабітний Ethernet використовує оптичне волокно. Оптоволоконі стандарти як основний тип кабелю рекомендують досить дешеве багатомодове оптичне волокно, що володіє смугою пропущення 500-800 Мгц при довжині кабелю 1 км. Припустимо і більш дороге одномодове оптичне волокно зі смугою пропущення в декілька гігагерц, але при цьому потрібно застосовувати спеціальний тип трансівера.

Функціонально мережа Ethernet на оптичному кабелі складається з тих же елементів, що і мережа стандарту l0Base-T — мережних адаптерів, багато портового повторювача і відрізків кабелю, що з'єднують адаптер з портом повторювача. Як і у випадку крученої пари, для з'єднання адаптера з повторювачем використовуються два оптоволокна — одне з'єднує вихід Тх адаптера з входом Rx повторювача, а інше — вхід Rx адаптера з виходом Тх повторювача.

Стандарт FOIRL (Fiber Optic Inter-Repeater Link) являє собою перший стандарт комітету 802.3 для використання оптоволокна в мережах Ethernet. Він гарантує довжину оптоволоконого зв'язку між повторювачами до 1 км при загальній довжині мережі не більш 2500 м. Максимальне число повторювачів між будь-якими вузлами мережі - 4. Максимального діаметра в 2500 м тут досягти можна, хоча максимальні відрізки кабелю між всіма 4 повторювачами, а також між повторювачами і кінцевими вузлами неприпустимі — інакше вийде мережа довжиною 5000 м.

Стандарт 10Base-FL являє собою незначне поліпшення стандарту FOIRL. Збільшено потужність передавачів, тому максимальна відстань між вузлом і концентратором збільшилося до 2000 м. Максимальне число повторювачів між вузлами залишилося рівним 4, а максимальна довжина мережі - 2500 м.

Стандарт 10Base-FB призначений тільки для з'єднання повторювачів. Кінцеві вузли не можуть використовувати цей стандарт для приєднання до портів концентратора. Між вузлами мережі можна установити до 5 повторювачів 10Base-FB при максимальній довжині одного сегмента 2000 м і максимальній довжині мережі 2740 м.

Повторювачі, з'єднані по стандарту 10Base-FB, при відсутності кадрів для передачі постійно обмінюються спеціальними послідовностями сигналів, що відрізняються від сигналів кадрів даних, для підтримки синхронізації. Тому вони вносять меншу затримку при передачі даних з одного сегмента в інший, і це є головною причиною, по якій кількість повторювачів вдалося збільшити до 5. Як спеціальні сигнали використовуються манчестерськие коди J і К в наступної послідовності: J-J-K-K-J-J-.... Ця послідовність породжує імпульси частоти 2,5 МГц, що і підтримують синхронізацію приймача одного концентратора з передавачем іншого. Стандарт 10Base-FB має також назву синхронний Ethernet.

Як і в стандарті l0Base-T, оптоволоконі стандарти Ethernet дозволяють з'єднувати концентратори тільки в деревоподібні ієрархічні структури. Будь-які петлі між портами концентраторів не допускаються.


Домен колізій

У технології Ethernet, незалежно від застосовуваного стандарту фізичного рівня, існує поняття домену колізій.

Домен колізій (collision domain) — це частина мережі Ethernet, усі вузли якої розпізнають колізію незалежно від того, у якій частині цієї мережі колізія виникла. Мережа Ethernet, побудована на повторювачах, завжди утворює один домен колізій. Домен колізій відповідає одному поділюваному середовищу. Мости, комутатори і маршрутизатори поділяють мережу Ethernet на декілька доменів колізій.

Приведена на мал. 3.11 мережа являє собою один домен колізій. Якщо, наприклад, зіткнення кадрів відбулося в концентраторі 4, то відповідно до логіки роботи концентраторів l0Base-T сигнал колізії пошириться по всіх портах всіх концентраторів.

Якщо ж замість концентратора 3 поставити в мережу міст, то його порт С, зв'язаний з концентратором 4, сприйме сигнал колізії, але не передасть його на свої інші порти, тому що це не входить до його обов'язку. Міст просто відробить ситуацію колізії засобами порту С, що підключений до загального середовища, де ця колізія виникла. Якщо колізія виникла через те, що міст намагався передати через порт С кадр у концентратор 4, то, зафіксувавши сигнал колізії, порт C призупинить передачу кадру і спробує передати його повторно через випадковий інтервал часу. Якщо порт С приймав у момент виникнення колізії кадр, то він просто відкине отриманий початок кадру і буде очікувати, коли вузол, що передавав кадр через концентратор 4, не зробить повторну спробу передачі. Після успішного прийняття даного кадру у свій буфер міст передасть його на інший порт відповідно до таблиці просування, наприклад на порт А. Усі події, зв'язані з обробкою колізій портом С, для інших сегментів мережі, що підключені до інших портів моста, залишаться просто невідомими.

Вузли, що утворять один домен колізій, працюють синхронно, як єдина розподілена електронна схема.


Загальні характеристики стандартів Ethernet 10 Мбіт/с

У таблицях. 3.3 і 3.4 зведені основні обмеження і характеристики стандартів Ethernet.

Таблиця 3.3. Загальні обмеження для всіх стандартів Ethernet

Номінальна пропускна здатність 10 Мбіт/с
Максимальне число станцій у мережі 1024
Максимальна відстань між вузлами 2500 м (у 10Base-FB 2750м)
Максимальне число коаксіальних сегментів у мережі 5

Таблиця 3.4. Параметри специфікацій фізичного рівня для стандарту Ethernet

  l0Base-5 l0Base-2 l0Base-Т l0Base-F

Кабель Товстий коаксіальний кабель RG-8 чи RG-11 Тонкий коаксіальний кабель RG-58 Неекранована кручена пара категорій 3, 4, 5 Багатомодовий волокон-оптичний кабель
Максимальна довжина сегмента, м 500 185 100 2000
Максимальне відстань між вузлами мережі (при використанні повторювачів), м 2500 925 600 2500
(2740 для 10Base-FB)
Максимальне число станцій у сегменті 100 30 1024 1024
Максимальне число повторювачів між будь-якими станціями мережі 4 4 4 4
(5 для 10 Base-FB)


Попередня Перша Наступна