Це найпоширеніший стандарт локальних мереж. За цим протоколом нині працюють понад 5 млн ЛКС. Є кілька варіантів та модифікацій технології Ethernet, що становлять ціле сімейство технологій. З них найвідомішими є 10-мегабітний варіант стандарту IEEE 802.3, а також нові високошвидкісні технології Fast Ethernet та Gigabit Ethernet. Всі ці варіанти та модифікації відрізняються типом фізичного середовища передачі даних. Всі види стандартів Ethernet використовують один і той же метод доступу до середовища, що передає, — метод випадкового доступу CSMA/CD. Він застосовується виключно у мережах із загальною логічною шиною, яка працює в режимі колективного доступу та використовується для передачі даних між будь-якими двома вузлами мережі. Такий метод доступу носить імовірнісний характер: ймовірність отримання своє розпорядження середовища передачі залежить від завантаженості мережі. При значному завантаженні мережі інтенсивність колізій зростає та її корисна пропускна здатність різко падає. Мета роботи: вивчення принципів побудови мереж за стандартом Ethernet та набуття практичних навичок оцінки коректності їхньої конфігурації. 6.1 Принципи розрахунку конфігурації мережі Дотримання численних обмежень, встановлених для різних стандартів фізичного рівня мереж Ethernet, гарантує коректну роботу мережі (звісно, при справному стані всіх елементів фізичного рівня). Таблиця 6.1 – Загальні обмеження для всіх стандартів Ethernet Номінальна пропускна спроможність Максимальна кількість станцій у мережі Максимальна відстань між вузлами у мережі 2500 м (10Base-FB -2750 м) Максимальна кількість коаксіальних сегментів у мережі Таблиця 6.2 – Параметри специфікацій фізичного рівня для стандарту Ethernet Товстий коаксіальний кабель RG-8 або RG-11 Тонкий коаксіальний кабель RG-58 Неекрановано-ванна кручена пара категорій 3,4,5 Максимальна довжина сегмента, м Максимальна відстань між вузлами мережі (при використанні повторювачів), м 2500(2740 для 10Base-FB) Максимальна кількість станцій у сегменті Максимальна кількість повторювачів між будь-якими станціями мережі Найчастіше доводиться перевіряти обмеження, пов'язані з довжиною окремого сегмента кабелю, а також кількістю повторювачів та загальною довжиною мережі. Правила "5-4-3" (допускається з'єднання до лінії до 5 сегментів не більше ніж через 4 повторювачі, з цих сегментів тільки 3 можуть використовуватися для підключення вузлів (Trunk segments), інші (Link segments) використовуються як подовжувачі ) для коаксіальних мереж та «4 хабів» (кількість повторювачів (концентраторів) між будь-якими двома комп'ютерами в мережі Ethernet не може бути більше чотирьох) для мереж на основі крученої пари та оптоволокна не тільки дають гарантії працездатності мережі, а й залишають великий «запас міцності» мережі. Наприклад, якщо порахувати час подвійного обороту в мережі, що складається з 4 повторювачів 10 Base -5 і 5 сегментів максимальний довжини 500 м, виявиться, що воно становить 537 бітових інтервалу. Оскільки час передачі кадру мінімальної довжини (разом із преамбулою), що становить 72 байт, дорівнює 575 бітовим інтервалам, то видно, що розробники стандарту Ethernet залишили 38 бітових інтервалу в якості запасу для забезпечення надійності. Проте в документах комітету IEEE 802.3 стверджується, що і 4 додаткові бітові інтервали створюють достатній запас надійності. Комітет IEEE 802.3 наводить вихідні дані про затримки (таблиці 6.3 і 6.4), що вносяться повторювачами та різними середовищами передачі даних, для тих фахівців, які хочуть самостійно розраховувати максимальну кількість повторювачів та максимальну загальну довжину мережі, не задовольняючись тими значеннями, які наведені в правилах. 5-4-3» та «4 хабів». Таблиця 6.3 – Дані для розрахунку значення PDV (Path Delay Value – час подвійного обороту)
База лівого сегмента, bt База проміжного сегмента, bt База правого сегмента, bt Затримка середовища на 1 м, bt Максимальна довжина сегмента, м Таблиця 6.4 - Зменшення міжкадрового інтервалу повторювачами Передавальний сегмент, bt Проміжний сегмент, bt 10Base-5 або 10Base-2 Особливо такі розрахунки корисні для мереж, що складаються із змішаних кабельних систем, наприклад, коаксіалу та оптоволокна, на які правила про кількість повторювачів не розраховані. При цьому максимальна довжина кожного окремого фізичного сегмента повинна відповідати стандарту, тобто 500 м для «товстого» коаксіалу, 100 м для витої пари і т.д. буд. Щоб мережа Ethernet, що складається із сегментів різної фізичної природи, працювала коректно, необхідно виконання чотирьох основних умов: - кількість станцій у мережі – не більше 1024; - максимальна довжина кожного фізичного сегмента – не більше величини, визначеної у відповідному стандарті фізичного рівня; - час подвійного обороту сигналу (Path Delay Value, PDV) між двома найвіддаленішими один від одного станціями мережі - не більше 575 бітових інтервалу; - скорочення міжкадрового інтервалу ( Path Variability Value , PVV ) при проходженні послідовності кадрів через всі повторювачі - не більше, ніж 49 бітових інтервалу (так як при відправці кадрів кінцеві вузли забезпечують початкову міжкадрову відстань в 96 бітових інтервалу, то після проходження повтору не менше, ніж = 47 бітових інтервалу). Дотримання цих вимог забезпечує коректність роботи мережі навіть у випадках, коли порушуються прості правила конфігурування, що визначають максимальну кількість повторювачів та загальну довжину мережі 2500 м. 6.2 Методика розрахунку часу подвійного обороту та зменшення міжкадрового інтервалу Для спрощення розрахунків зазвичай використовуються довідкові дані IEEE , що містять значення затримок розповсюдження сигналів у повторювачах, приймачів та різних фізичних середовищах (таблиця 6.3). Битовий інтервал позначений як bt. Комітет 802.3 намагався максимально спростити виконання розрахунків, тому дані, наведені у таблиці, включають відразу кілька етапів проходження сигналу. Наприклад, затримки, що вносяться повторювачем, складаються із затримки вхідного трансівера, затримки блоку повторення та затримки вихідного трансівера. Проте у таблиці всі ці затримки представлені однією величиною, названою базою сегмента. Щоб не потрібно було двічі складати затримки кабелі, в таблиці даються подвоєні величини затримок для кожного типу кабелю. Лівим сегментом називається сегмент, у якому починається шлях сигналу від виходу передавача кінцевого вузла. На малюнку 6.1 це сегмент 1.Потім сигнал проходить через проміжні сегменти 2-5 і доходить до приймача найбільш віддаленого вузла найбільш віддаленого сегмента 6, який називається правим. Саме тут у гіршому випадку відбувається зіткнення кадрів та виникає колізія. З кожним сегментом пов'язана постійна затримка, названа базою, яка залежить тільки від типу сегмента і положення сегмента на шляху сигналу (лівий, проміжний або правий). База правого сегмента, у якому виникає колізія, набагато перевищує базу лівого та проміжних сегментів. Крім цього, з кожним сегментом пов'язана затримка розповсюдження сигналу вздовж кабелю сегмента, яка залежить від довжини сегмента та обчислюється шляхом множення часу розповсюдження сигналу по одному метру кабелю (у бітових інтервалах) на довжину кабелю в метрах. Розрахунок PDV полягає у обчисленні затримок, що вносяться кожним відрізком кабелю (наведена в таблиці затримка сигналу на 1 м кабелю множиться на довжину сегмента), а потім підсумовування цих затримок з базами лівого, проміжних та правого сегментів. Загальне значення PDV не повинно перевищувати 575. Так як лівий і правий сегменти мають різні величини базової затримки, то у разі різних типів сегментів на віддалених краях мережі необхідно виконати розрахунки двічі: один раз прийняти як лівий сегмент сегмент одного типу, а в другий - сегмент іншого типу. Результатом можна вважати максимальне значення PDV. Щоб визнати конфігурацію мережі коректною, необхідно розрахувати також зменшення міжкадрового інтервалу повторювачами, тобто величину PVV . Для розрахунку PVV можна скористатися значеннями максимальних величин зменшення міжкадрового інтервалу при проходженні повторювачів різних фізичних середовищ, рекомендованими IEEE і наведеними в таблиці 1.4. 6.3 Приклад розрахунку конфігурації мережі У прикладі крайні сегменти мережі належать одного типу - стандарту 10 Base - T , тому подвійний розрахунок не потрібно. Наведена малюнку 6.1 мережу відповідно до правилом «4 хабів» перестав бути коректної - в мережі між вузлами сегментів 1 і 6 є 5 хабів, хоча всі сегменти є сегментами 10 Base - FB . Крім того, загальна довжина мережі дорівнює 2800 м-коду, що порушує правило 2500 м-коду. Розрахуємо значення PDV. 15,3 (база) + 100-0,113 = 26,6 Проміжний сегмент 2: Проміжний сегмент 3: Проміжний сегмент 4: Проміжний сегмент 5: 165 + 100-0,113 = 176,3. Сума всіх складових дає значення PDV, що дорівнює 568,4. Оскільки значення PDV менше максимально допустимої величини 575, ця мережа проходить за критерієм часу подвійного обороту сигналу незважаючи на те, що її загальна довжина перевищує 2500 м, а кількість повторювачів більше 4. Розрахуємо значення PVV. Лівий сегмент 1 10 Base-T: скорочення 10,5 bt. Проміжний сегмент 2 10 Base - FL: 8. Проміжний сегмент 3 10 Base - FB: 2. Проміжний сегмент 4 10 Base - FB: 2. Проміжний сегмент 5 10 Base - FB: 2. Сума цих величин дає значення PVV , що дорівнює 24,5, що менше граничного значення 49 бітових інтервалу. В результаті мережа відповідає стандартам Ethernet за всіма параметрами. 1. Ознайомитись із теоретичним матеріалом. 2. Здійснити оцінку конфігурації мережі відповідно до варіанта: - за фізичними обмеженнями: на довжину сегмента, на довжину мережі, правило "4 хаба" ("5 хабів" для 10 Base - FB); - за часом подвійного обороту сигналу у мережі; - Зменшення міжкадрового інтервалу. 3. За результатами розрахунків зробити висновок про коректність конфігурації мережі Ethernet. 4. За наслідками роботи оформити звіт. зміст звіту: вихідні дані, розрахунки зазначених параметрів, висновки. 6. 5 Контрольні питання 1. Механізм доступу до середовища в технології Ethernet . 2. Принципи оцінки коректності зміни з фізичним обмеженням. 3. Умови надійного розпізнавання колізій. 4. Цілі обмеження зменшення міжкадрового інтервалу. 5. Правила розрахунку для найдовшого шляху конфігурації мережі.
Інститут інженерів з електротехніки та радіоелектроніки — IEEE (англ. Institute of Electrical and Electronics Engineers) (I triple E - "Ай трипл і") - міжнародна некомерційна асоціація фахівців у галузі техніки, світовий лідер у галузі розробки стандартів з радіоелектроніки та електротехніки. Ця громадська некомерційна асоціація професіоналів веде свою історію з 1884 року, об'єднує понад 372 000 індивідуальних членів зі 170 країн, у тому числі понад 80 000 студентів. IEEE видає третю частину світової технічної літератури, що стосується застосування радіоелектроніки, комп'ютерів, систем управління, електротехніки, у тому числі (січень 2008) 102 наукових журнали, що реферуються, і 36 галузевих журналів для фахівців, проводить на рік більше 300 великих конференцій, брала участь у розробці близько 900 чинних стандартів. Головна мета IEEE – інформаційна та матеріальна підтримка фахівців для організації та розвитку наукової діяльності в електротехніці, електроніці, комп'ютерній техніці та інформатиці, додаток їх результатів для користі суспільства, а також професійне зростання членів IEEE. Отримання безцінної інформації про новітні дослідження та розробки в радіоелектроніці та електротехніці можливе лише завдяки IEEE. Інститут інженерів з електротехніки та електроніки, або IEEE (інститут інженерів з електротехніки та електроніки. Професійна організація, що здійснює розробку стандартів у галузі зв'язку та мереж. Стандарти IEEE є домінуючими стандартами локальних мереж у сучасному світі) (вимовляється як "ай-три і") , займається мережевими стандартами, включаючи Ethernet та стандарти бездротових мереж. Комітети IEEE відповідають за затвердження та оновлення стандартів підключення, вимог до середовища передачі та протоколів зв'язку. Кожному технологічному стандарту надається номер, що відповідає номеру відповідального за затвердження та оновлення комітету. Стандартами Ethernet займається комітет 802.3. З моменту створення Ethernet у 1973 р. стандарти вдосконалилися, йдучи за появою більш швидких та гнучких версій технології. Здатність стандарту Ethernet до розвитку – одна з основних причин популярності. Той "гігабіт" у повному дуплексі, який ми бачимо зараз уже в мережах початкового рівня, дуже мало схожий на родоначальника сімейства 10base5. У той же час після введення 10base-T сумісність зберігається як на рівні взаємодії пристроїв, так і на рівні кабельної інфраструктури. Для кожної версії Ethernet є свій стандарт.Наприклад, 802.3 100BASE-T – це стандарт 100-мегабітної мережі Ethernet з використанням кабелю з витою парою. Розвиток від простого до складного, зростання разом із потребами користувачів – ось ймовірний ключ неймовірного успіху технології. Березень 1981 – фірмою 3com представлений Ethernet-трансівер. Вересень 1982 р. - перший мережевий адаптер для персонального комп'ютера. 1983 - Інститут інженерів електротехніки та електроніки (IEEE) випустив офіційний стандарт Ethernet - IEEE 802.3. Визначено шинну топологію мережі 10base5 (товстий Ethernet) і 10base2 (тонкий Ethernet). Швидкість передачі 10 Мбіт/с. Визначено граничну відстань між точками одного сегмента – 2,5 км. 1985 - випущена друга версія специфікації IEEE 802.3a (Ethernet II), за яким максимальна ефективна довжина коаксіального кабелю становила 185 метрів. IEEE 802.3 був прийнятий Міжнародною організацією стандартизації (ISO) як офіційний міжнародний стандарт для Ethernet-систем. Сформовано жорстку ідентифікацію Ethernet пристроїв (МАС - адреси). Було створено список адрес, у якому будь-який виробник може зареєструвати унікальний діапазон (зараз це коштує близько $1500) Вересень 1990 - IEEE затверджує технологію 10baseT (вита пара) з фізичною топологією зірка та концентраторами (hub). Логічна топологія CSMA/CD не змінилася.В основу стандарту лягли розробки SynOptics Communications під назвою LattisNet. 1990 - фірма "Kalpana" (згодом швидко куплена разом з розробленим комутатором CPW16 початківцем гігантом "Cisco") пропонує технологію комутації, засновану на відмові від використання ліній зв'язку, що розділяються, між усіма вузлами сегмента. 1991 рік - Альянс галузей електронної промисловості (EIA) спільно з Асоціацією індустрії телекомунікацій опублікували перший стандарт для з'єднань EIA/TIA 568, заснований на неекранованій кручений парі категорії 3 (UTP), і стандарт TSB-36, який визначив вищі категорії UTP- категорію 4 та 5 (Cat 4, Cat 5). Так, у США з'явилася структурована кабельна система. 1992 – початок застосування комутаторів (switch). Використовуючи адресну інформацію, що міститься в пакеті (МАС-адреса), комутатор організує незалежні віртуальні канали між парами вузлів. Комутація практично непомітно для користувача перетворює недетерміновану модель Ethernet (з конкурентною боротьбою за смугу пропускання), систему з адресною передачею даних. 1993 - специфікації IEEE 802.3x, з'являється повний дуплекс і контроль з'єднання для 10baseT, специфікація IEEE 802.1p додає групову адресацію та 8-рівневу систему пріоритетів. У червні 1995 введено Fast Ethernet стандарт IEEE 802.3u (100BaseT) зі швидкістю 100 Мбіт/с 1997 - Було прийнято стандарт IEEE 802.3z Gigabit Ethernet зі швидкістю 1000 Мбіт/с для передачі по оптичному волокну. і ще через два роки для передачі по кручений парі. 1999 - IEEE 802.3z Gigabit Ethernet зі швидкістю 1000 Мбіт/с для передачі по кручений парі. 2002 рік - Стандарт 10 Gigabit Ethernet із пропускною спроможністю 10 Гбіт/c вже знаходить застосування в корпоративних мережах.Він має найменування IEEE 802.3ae і практично не відрізняється від вихідної версії Ethernet – збережено той самий формат заголовка, преамбула, розміри кадрів. 2007 - 2010 роки Група 802.3ba відзначила, що вимоги до смуги пропускання для обчислювальних завдань та додатків ядра мережі зростають із різними швидкостями. Це й визначило необхідність двох відповідних стандартів для наступних поколінь Ethernet – 40 Gigabit Ethernet (або 40GbE) та 100 Gigabit Ethernet (або 100GbE). У стандарті IEEE 802.3ba встановлюється швидкість передачі у 40 і 100 Гбіт/с при спільному використанні кількох ліній зв'язку на 10 чи 25 Гбіт/с. 2016 - Стандарт IEEE 802.3by на 25 гігабіт був прийнятий у червні 2016 року. Застосовується у дата-центрах. Для хмарних технологій важливі високі швидкості - з'єднання 10 гігабіт на один сервер вже недостатньо. Також продовжується робота над стандартом Ethernet 50 гігабіт, який має стати наступним кроком у підвищенні швидкості з'єднання для ЦОДів. Стандарти Ethernet визначають провідні з'єднання та електричні сигнали на фізичному рівні, формат кадрів та протоколи керування доступом до середовища. на канальному (другому) рівні моделі OSI. Ethernet переважно описується стандартами IEEE групи 802.3. При проектуванні стандарту Ethernet було передбачено, що кожна мережна карта (як і вбудований мережевий інтерфейс) повинна мати унікальний шестибайтний номер (MAC-адреса), прошитий в ній при виготовленні. Цей номер використовується для визначення відправника та одержувача кадру. У локальній мережі використовується технологія Ethernet, комп'ютери спілкуються між собою за допомогою MAC-адрес. Жодних IP адрес! Fast Ethernet (FE) - загальна назва для набору стандартів передачі даних у комп'ютерних мережах за технологією Ethernet зі швидкістю до 100 Мбіт/с, на відміну від вихідних 10 Мбіт/с. Іноді позначається як 100BASE-X, де X передбачає варіанти реалізації (наприклад, 100BASE-TX, 100BASE-FX). Варіанти для роботи з кручений пари мають загальне позначення 100BASE-T Gigabit Ethernet - На відміну від своїх попередників Gigabit Ethernet завжди використовує для передачі одночасно всі 4 пари. Причому одразу у двох напрямках. Крім того, інформація кодується не двома рівнями як звичайно (0 і 1), а чотирма (00,01,10,11). Тобто. рівень напруги в кожен конкретний момент кодує не один, а одразу два біти. Це зроблено у тому, щоб знизити частоту модуляції з 250 МГц до 125 МГц. Крім того, доданий п'ятий рівень, для створення надмірності коду. Він уможливлює корекцію помилок на прийомі. Такий вид кодування називається п'ятирівневим імпульсно-амплітудним кодуванням (PAM-5). Крім того, для того, щоб використовувати всі пари одночасно для прийому та передачі мережевий адаптер віднімає із загального сигналу свій переданий сигнал, щоб отримати сигнал, переданий іншою стороною. Таким чином, реалізується повнодуплексний режим по одному каналу. Мережні стандарти Ethernet, що використовуються в даний час.Технологія Ethernet (стандарт 802.3).
Розрахунок конфігурації мережі Ethernet
У таблиці використовуються такі поняття, як лівий сегмент, правий сегмент і проміжний сегмент. Пояснимо ці терміни з прикладу мережі, наведеної малюнку 6.1.[Основи мереж] 8. Стандарт Ethernet
Стандарт Ethernet
Назва стандарту розшифровується так:
Версії 10 Мбіт/с Ethernet
Fast Ethernet (FE)
Гігабітний Ethernet (GE)
Стандарт
Тип кабелю
Максимальна відстань передачі, м
10BASE-T
Кабель на основі кручений пари категорії 3 або 5
100
100BASE-TX
Кабель на основі кручений пари категорії 5
100
100BASE-FX
Багатомодовий оптичний кабель
412/2000
100BASE-BX10
Одноволоконний одномодовий оптичний кабель (довжина хвилі: 1310 нм висхідний потік, 1550 нм низхідний)
10000
100BASE-LX10
Одномодовий оптичний кабель (довжина хвилі 1310 нм)
10000
1000BASE-T
Кабель на основі кручений пари категорії 5, 5e, 6 або 7
100
1000BASE-SX
Багатомодовий оптичний кабель 62.5/125 мікрон/ 50/125 мікрон
220/550
1000BASE-LX
Одномодовий оптичний кабель
Багатомодовий оптичний кабель5000/550
1000BASE-LX10
Одномодовий оптичний кабель (довжина хвилі 1310 нм)
Багатомодовий оптичний кабель (довжина хвилі 1310 нм)10000/550
1000BASE-BX10
Одноволоконний одномодовий оптичний кабель (довжина хвилі: 1310 нм висхідний потік, 1550 нм низхідний)
10000
1000BASE-ZX
Одномодовий оптичний кабель (довжина хвилі 1550 нм)
80000
1000BASE-LH(Long Haul)
Одномодовий оптичний кабель
50000
10GBASE-CX4
Екранований збалансований мідний кабель
15
10GBASE-SR
Багатомодовий оптичний кабель
300
10GBASE-LR
Одномодовий оптичний кабель
10000
10GBASE-ER
Одномодовий оптичний кабель
40000