Технология Ethernet
Ethernet – это сетевой стандарт,
основанный на экспериментальной сети Ethernet Network, которую фирма
Xerox разработала и реализовала
в 1975 году.
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
стандартом Ethernet DIX или Ethernet II.
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 Ethernet DIX определяется протокол тестирования
конфигурации (Ethernet Configuration Test Protocol), который отсутствует в IEEE 802.3. Несколько отличается и формат кадра, хотя минимальные и
максимальные размеры кадров в этих стандартах совпадают. Часто для того, чтобы
отличить Ethernet, определенный
стандартом IEEE, и фирменный Ethernet DIX, первый называют технологией 802.3, а за фирменным оставляют название
Ethernet без дополнительных
обозначений.
В
зависимости от типа физической среды стандарт IEEE 802.3 имеет различные модификации - l0Base-5, l0Base-2, l0Base-T, l0Base-FL, l0Base-FB.
Формат кадра технологии Ethernet
Кадр
Ethernet имеет формат, показанный на рисунке 5.11.
Рисунок 5.11 – 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 CRC используется образующий полином:
G(x) = x32 + x26 + x23
+ x22 + x16 + x12 + x11 + x10
+ x8 + x7 + x5 + x4 + x2
+ 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.
Стандарт
технологии Ethernet, описанный в
документе IEEE 802.3, дает
описание единственного формата кадра уровня MAC. Так как в кадр уровня MAC должен вкладываться кадр уровня LLC, описанный в документе IEEE 802.2, то по стандартам IEEE в сети Ethernet может использоваться только единственный вариант
кадра канального уровня, заголовок которого является комбинацией заголовков MAC и LLC подуровней.
Тем
не менее на практике в сетях Ethernet на канальном
уровне используются кадры 4-х различных форматов (типов). Это связано с
длительной историей развития технологии Ethernet, насчитывающей период существования до принятия
стандартов IEEE 802, когда
подуровень LLC не выделялся из общего протокола и, соответственно, заголовок
LLC не применялся.
Различия
в форматах кадров могут приводить к несовместимости в работе аппаратуры и
сетевого программного обеспечения, рассчитанного на работу только с одним
стандартом кадра Ethernet. Однако
сегодня практически все сетевые адаптеры, драйверы сетевых адаптеров,
мосты/коммутаторы и маршрутизаторы умеют работать со всеми используемыми на
практике форматами кадров технологии Ethernet, причем
распознавание типа кадра выполняется автоматически.
Спецификации
физической среды Ethernet
Исторически
первые сети технологии Ethernet были созданы
на коаксиальном кабеле диаметром 0,5 дюйма. В дальнейшем были определены и
другие спецификации физического уровня для стандарта Ethernet, позволяющие использовать
различные среды передачи данных. Метод доступа CSMA/CD и все
временные параметры остаются одними и теми же для любой спецификации физической
среды технологии Ethernet 10 Мбит/с.
Физические
спецификации технологии Ethernet на сегодняшний
день включают следующие среды передачи данных.
•
l0Base-5 – коаксиальный кабель диаметром 0,5 дюйма, называемый «толстым»
коаксиалом. Имеет волновое сопротивление 50 Ом. Максимальная длина сегмента –
500 метров (без повторителей).
•
l0Base-2 – коаксиальный кабель диаметром 0,25 дюйма, называемый «тонким»,
коаксиалом. Имеет волновое сопротивление 50 Ом. Максимальная длина сегмента –
185 метров (без повторителей).
•
l0Base-T – кабель на основе
неэкранированной витой пары (Unshielded Twisted Pair, UTP). Образует
звездообразную топологию на основе концентратора. Расстояние между
концентратором и конечным узлом – не более 100 м.
•
l0Base-F – волоконно-оптический
кабель. Топология аналогична топологии стандарта l0Base-T. Имеется несколько
вариантов этой спецификации — FOIRL (расстояние до
1000 м), l0Base-FL (расстояние до
2000 м), l0Base-FB (расстояние
до 2000 м).
Число
10 в указанных выше названиях обозначает битовую скорость передачи данных этих
стандартов — 10 Мбит/с, а слово Base — метод
передачи на одной базовой частоте 10 МГц (в отличие от методов, использующих несколько
несущих частот, которые называются Broadband –
широкополосными). Последний символ в названии стандарта физического уровня
обозначает тип кабеля.
MAC
В идеологии множественного доступа к среде Ethernet передачу данных приходится реализовывать по
широковещательному принципу "каждый для всех" (broadcasting). Это не может не наложить отпечаток на процесс формирования и
распознавания кадров.
Для идентификации устройств используются 6-ти байтовые
МАС-адреса, которые отправитель обязательно должен указать в передаваемом
кадре. Старшие три байта представляют собой идентификатор производителя
оборудования (Vendor codes),
младше - индивидуальный идентификатор устройства.
За уникальность последних несет ответственность
производитель оборудования. С идентификаторами производителя доле обстоит
сложнее. Существует специальная организация в составе IEEE,
которая ведет список вендоров, выделяя каждому из них свой диапазон адресов
(например, создатели технологии Ethernet, Ксерокс и DEC
занимают первую и последнюю строчку списка соответственно).
Такой механизм существует для того, чтобы физический адрес
любого устройства был уникальным, и не возникло ситуации его случайного
совпадения.
МАС-адрес модет быть записан в различной форме. Наиболее
часто используется шестнадцатеричная, в которой пары байтов отделяются друг от
друга символами "–" или ":" (например, сетевая карта Realtek,
установленная на домашнем компьютере, имеет адрес 00:С0:DF:F7:A4:25)
МАС-адрес позволяет выполнять единичную (Unicast),
групповую (Multicast) и широковещательную адресацию
кадров (Broadcast).
Единичная адресация означает, что узел-источник направляет
свое сообщение только одному получателю, адрес которого явно указывается.
В режиме групповой адресации кадр будет обработан теми
станциями, которые имеют такой же Vendor Code,
как и у отправителя. Признаком такой посылки является "1" в младшем
бите старшего байта МАС-адреса (Х1:ХХ:ХХ:ХХ:ХХ:ХХ). Такой форма достаточно
удобен для "фирменного" взаимодействия устройств, но на практике
используется достаточно редко.
Другое дело широковещательная посылка, в которой адрес
получателя кодируется специальным значением FF-FF-FF-FF-FF-FF.
Переданное сообщение будет принято и обработано всеми станциями, которые
находятся в данной сети.
LLC
Данный подуровень обеспечивает единый, независимый от
используемого метода доступа, интерфейс с верхним (сетевым) уровнем. По сути,
можно сказать, что на нем определяется логическая структура заголовка кадра Ethernet.
Уровень
LLC отвечает за передачу кадров
данных между узлами с различной степенью надежности, а также реализует функции
интерфейса с прилегающим к нему сетевым уровнем. Именно через уровень LLC
сетевой протокол запрашивает у канального уровня нужную ему транспортную
операцию с нужным качеством. На уровне LLC существует несколько режимов работы,
отличающихся наличием или отсутствием на этом уровне процедур восстановления
кадров в случае их потери или искажения, то есть отличающихся качеством
транспортных услуг этого уровня.