Система Ethernet состоит из трех основных элементов:
Физическая среда. Переносит сигналы Ethernet между компьютерами
Набор общих правил управления доступом. Внедрялся в каждый интерфейс Ethernet,
чтобы компьютеры могли получать доступ в сеть
Фрейм Ethernet. Состоит из стандартизированного набора битов. Переносит данные
по системе.
Функционирование Ethernet.
Каждый, оборудованный Ethernet, компьютер, также известный как станция, работает
независимо от всех других станций в сети, т.е. нет никакого центрального контроллера.
Все станции присоединялись к Ethernet и были связаны с общедоступной системой
передачи сигналов, также названной средой. Сигналы Ethernet передаются последовательно,
один бит по общедоступному каналу к каждой подключенной станции. Перед отправкой
данных станция сначала "слушает" канал, и, когда он пуст, передает данные
в виде фрейма Ethernet или пакета (Точный термин, как определено в стандарте Ethernet
- "фрейм", но термин "пакет" также часто используется).
После каждой передачи фрейма, все станции в сети должны бороться одинаково
для следующей возможности передачи фрейма. Это гарантирует, что доступ к сетевому
каналу справедлив, и что никакая отдельная станция не может блокировать другие
станции. Доступ к каналу определяет medium access control (MAC) механизм, внедренный
в интерфейс Ethernet, расположенный в каждой станции. MAC основан на системе,
которая называется Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD).
Протокол CSMA/CD
(Протокол множественного доступа с опросом несущей и разрешением конфликтов)
Функции протокола CSMA/CD напоминают ужин в темной комнате. Каждый за столом
должен дождаться тишины чтобы заговорить (Carrier Sense). Как только наступает
тишина, каждый имеет равный шанс сказать что-либо (Коллективный доступ). Если
два человека начинают говорить в тот же самый момент, они сразу прекращают говорить
(Коллизия).
В переводе на Ethernet термины это звучит так: каждый интерфейс должен ждать
того, чтобы на канале не было сигнала, тогда интерфейс может начинать передачу.
Если какой-либо интерфейс передает сигнал в канал, называют несущей. Перед попыткой
передать что-либо все другие интерфейсы должны ждать, пока несущая не прекратится,
и этот процесс называют Carrier Sense.
Шансы послать фреймы в сеть у всех интерфейсов Ethernet равны. Никто не получает
более высокий приоритет. Это и есть то, что называется Коллективным доступом.
С тех пор как сигналы получают конечное время, чтобы путешествовать с одного
конца системы Ethernet к другому, первые биты переданного фрейма не достигают
всех частей сети одновременно. Поэтому возможно, что два интерфейса обнаружат,
что канал пуст и начнут передавать в сеть пакеты одновременно. Это и есть коллизии,
передача останавливается и пакеты заново начинают передаваться.
Протокол CSMA/CD разработан, чтобы обеспечить равноправный доступ к общедоступному
ация сбоев в сети.
А суть в том, что коллизии являются абсолютно норма чтобы определить, какая станция следующей будет использовать канал Ethernet.
Коллизии
Collision = коллизия = столкновение
Если одновременно больше чем одна станция передает пакеты в канал Ethernet,
то сигналы, как говорят, сталкиваются. Станции "узнают" об этом случае,
и переупорядочивают передачу, используя предназначенный специально для этого
алгоритм возврата. Как часть этого алгоритма каждая станция выбирает случайный
интервал времени, чтобы наметить повторную передачу фрейма, которая препятствует
другим станциям делать попытки передачи.
Не очень удачно, что для обозначения такого явления было выбрано слово "коллизия".
Если бы это назвали как-то по другому, например: "стохастическая арбитражная
случйность (SAE), " тогда никто бы не волновался о возникновении SAE на
Ethernet. Однако, слово "коллизия" подобно чему-то очень плохому,
и многие думают, что коллизии - индикация сбоев в сети.
А суть в том, что коллизии являются абсолютно нормальными событиями в Ethernet,
и просто указывают, что протокол CSMA/CD функционирует как нужно. Т.к. со временем
всё больше компьютеров становится в сети, соответственно увеличивается и уровень
трафика, поэтому происходит больше столкновений.
Структура Ethernet системы обеспечивает на не перегруженных участках сети устранение
коллизий в микросекунды. Обычное столкновение не приводит к потере данных. В
случае столкновения интерфейс Ethernet ждет несколько микросекунд, и затем автоматически
повторно передает данные.
В сетях с большой загрузкой бывают множественные столкновения попытки передачи
фрейма. Это также нормальное поведение. Если происходят повторные столкновения
для данной попытки передачи, то станции начинают разворачивать набор потенциальных
времен возврата, из которых они выбирают случайное время повторной передачи.
Повторные столкновения для данной попытки передачи пакета указывают на то, что
сеть занята. Расширяющийся процесс возврата, формально известный как "
truncated binary exponential backoff (дословно: обрезанная двойная экспоненциальная
задержка)" является свойством Ethernet MAC, который обеспечивает автоматический
метод корректировки трафика в сети. Только после того, как произойдут 16 последовательных
столкновений для данной попытки передачи, интерфейс наконец начнёт отказываться
от пакета Ethernet. Это может случиться, только если канал Ethernet перегружен
в течение довольно длительного периода времени, или каким-либо способом нарушен.
Лучший способ доставки данных.
Ethernet система, вместе с другими технологиями локальной сети, обеспечивает
наилучший способ доставки данных. Чтобы сделать эту технологию более доступной
и приблизить стоимость локальной сети к разумному уровню, никакая гарантия надежной
поставки данных не сделана. Даже при тщательно спроектированном канале передачи
ошибочных битов в LAN ошибки всё ещё будут иметь место.
Например, мощный электрический шум в кабельной системе может разрушить данные
во фрейме. канал локальной сети может стать перегруженным в течение некоторого
периода времени Или к примеру в результате 16 столкновений при попытке передачи
при перегруженном канале, Ethernet может отпросить фрейм. Независимо от того,
какая технология используется, никакая система локальной сети не совершенна,
поэтому для исправления ошибок разрабатываются более высокие уровни протокола
сетевого программного обеспечения.
Именно по протоколу высокого уровня отправляются данные по сети, чтобы удостовериться,
что данные правильно получены в компьютере адресата. Сетевые протоколы высокого
уровня устанавливают надежную службу транспортировки данных, используя порядковые
номера и механизмы подтверждения в пакетах, которые они посылают по локальной
сети.
Фрейм Ethernet и Адреса Ethernet
Основа системы Ethernet - фрейм Ethernet, который используется для обмена данными
между компьютерами. Фрейм состоит из набора битов, организованных из нескольких
полей. Эти поля включают адресные поля, изменяющееся поле размера которое может
содержать от 46 до 1 500 байт данных и поле проверки ошибок, которое проверяет
целостность битов во фрейме, чтобы удостовериться, что фрейм прибыл неповрежденным.
Первые два поля во фрейме несут 48 битные адреса, которые называются пунктом
назначения и пунктом отправки (source & destination addresses). IEEE управляет
назначением этих адресов, назначая часть поля адреса. IEEE делает это при помощи
24-х битных идентификаторов, названных "Organizationally Unique Identifiers
(OUIs)" (дословно: Организационные Уникальные идентификаторы), так как
уникальный идентификатор на 24 бита назначен на каждую организацию, которая
желает формировать интерфейсы Ethernet. Организация, в свою очередь, создает
адреса на 48 битов, используя назначенный OUI как первые 24 бита адреса. Этот
адрес на 48 битов также известен как физический адрес, аппаратный адрес, или
MAC адрес.
Уникальный адрес на 48 бит обычно назначается каждому Ethernet интерфейсу при
изготовлении. Он значительно упрощает функционирование сети. С одной стороны,
предписанные адреса препятствуют Вам управлять адресами для различных групп,
использующих сеть. И если Вы когда-либо пробовали заставить различные группы
сотрудничать и добровольно повиноваться тому же самому набору правил, то Вы
можете представить какое это преимущество.
Поскольку каждый Ethernet фрейм посылают на общедоступный канал сигнала, все
интерфейсы Ethernet смотрят на первое поле фрейма размером в 48 бит, которое
содержит адрес назначения. Интерфейсы сравнивают адрес назначения фрейма с их
собственным адресом. Интерфейс Ethernet с тем же самым адресом как адрес назначения
во фрейме будет читать фрейм полностью и передавать его к сетевому программному
обеспечению, выполняющемуся на компьютере. Все другие сетевые интерфейсы прекратят
читать фрейм, когда они обнаружат, что адрес назначения не соответствует их
собственному адресу.
Групповые и Широковещательные Адреса
Групповой адрес позволяет одному Ethernet фрейму быть полученным группой станций.
Сетевое программное обеспечение может установить Ethernet интерфейс станции
для того, чтобы "слушать" определенные групповые адреса. Это позволяет
назначить набору станций определенный групповой адрес. Один пакет, посланный
групповому адресу, будет получен всеми станциями в той группе.
Есть также специальный групповой адрес на 48 бит, известный как широковещательный.
Все Ethernet интерфейсы, которые видят фрейм с этим адресом назначения, будут
читать фрейм в и передавать его к сетевому программному обеспечению, выполняющемуся
на компьютере.
Протоколы Высокого уровня и Ethernet Адреса
Компьютеры в Ethernet могут посылать данные программы друг другу, используя
программное обеспечение протокола высокого уровня, вроде комплекта протоколов
TCP/IP, используемого во всемирной сети Internet. Пакеты протокола высокого
уровня перемещаются между компьютерами в поле данных Ethernet фреймов. Чтобы
передавать данные между компьютерами система протоколов высокого уровня переносит
данные прикладной программы и данные о Ethernet системе независимо друг от друга.
Протоколы высокого уровня имеют свою систему адресов, например 32-разрядный
адрес, используемый в текущей версии IP. Сетевое программное обеспечение данной
станции "знает" о ее 32-разрядном адресе IP и может читать 48 битный
адрес Ethernet её сетевого интерфейса, но оно не знает, каковы могут быть адреса
других станций в сети.
Для того, чтобы сеть работала, должен быть какой-то способ обнаружения адресов
других компьютеров в сети. В нескольких протоколах высокого уровня, включая
TCP/IP, используется еще один протокол высокого уровня, названный Address Resolution
Protocol (ARP) (протокол определения адресов).
Действие протокола определения адресов
Действие протокола определения адресов является прямым. Например, есть станция
"A" с IP адресом 192.0.2.1, которая хочет отправить данные по каналу
Ethernet к другой станции - "B" с IP адресом 192.0.2.2. Станция "A"
посылает пакет широковещательному адресу, содержащему запрос ARP. Запрос ARP
в основном говорит, "Существует ли станция на этом канале с IP адресом
192.0.2.2, пожалуйста скажите мне, каков адрес его интерфейса? "
Так как ARP запрос посылают в широковещательном фрейме, то каждый Ethernet интерфейс
в сети читает это. И только станция "B" с адресом IP 192.0.2.2, ответит
на такой запрос, посылая назад к "A" пакет, содержащий адрес Ethernet
станции "B". Теперь у станции "A" есть Ethernet адрес, к
которому нужно отправить данные предназначенные для станции "B".
Данная система Ethernet может нести несколько различных видов данных протокола
высокого уровня. Например, один Ethernet может нести данные между компьютерами
в форме протоколов TCP/IP так же как Novell или AppleTalk протоколов. Ethernet
- просто система, которая переносит пакеты данных между компьютерами; ей всё
равно что в пакетах.
Топология Сигнала и Синхронизация Системы Носителей
Когда становится ясно как сигналы передаются по всем устройствам, которые составляют
систему Ethernet, это помогает понять топологию системы. Топология сигнала Ethernet
также известна как логическая топология, в отличие от фактического физического
размещения кабелей. Логическая топология Ethernet предоставляет отдельный канал
(или шину), которая доставляет сигнал ко всем станциям.
Сегменты сети могут быть связаны вместе, для формирования большой локальной
сети, используя усиление сигнала и устройство восстановления синхронизации названное
повторителем (repeater). С помощью повторителей сеть может расти и расти, как
ветвящееся дерево. Это означает, что каждый сегмент является индивидуальной
ветвью целой системы сигналов. Даже притом, что носители могут быть физически
связаны звездообразным видом, логическая топология все еще является единым каналом,
который переносит сигнал ко всем станциям.
Понятие "дерева" - только формальное название для систем подобных
этой, а типичный дизайн сети фактически заканчивается более сложной конкатенацией
сегментов. В сегментах сети, которые используют носители, поддерживающие множественные
подключения (например: коаксиал), Вы можете установить повторитель и связаться
через него с другим сегментом в любом отрезке данного сегмента. Другие типы
сегментов, известные как связные сегменты, могут иметь только одно подключение
в каждый конец. Это описано более подробно в индивидуальных главах.
"Non-rooted" (без корневые) означает что сеть может развиваться в
любом направлении, т.е. она не завязана на чём-то одном. Наиболее важно то,
что сегменты не должны быть закольцованы в противном случае сеть будет работать
некорректно.
Рисунок 1.1 топология Ethernet сигнала
Рисунок показывает несколько сегментов, связанных с помощью повторителей (R)
и подключённых к ним станциями. Сигнал, посланный с любой станции, путешествует
по сегменту той станции и повторяется во все другие сегменты. Таким образом
этот сигнал слышат все станции.
Как видно, физическая топология быть шинной или звездообразной. Например, три
сегмента связаны с одним повторителем и образуют звездообразную физическую топологию.
Дело в том, что независимо от того, как сегменты сети физически связаны вместе,
есть один канал сигнала, который передаёт фреймы по ним ко всем станциям в данной
локальной сети.
Синхронизация передачи сигнала
Чтобы работать должным образом, все интерфейсы Ethernet должны быть способны
к ответу на сигналы друг друга в пределах указанного времени. Синхронизация
сигнала основана на времени, которое требуется ему чтобы добраться до конца
системы и назад. Это время называют "Round Trip Timing" (Время путешествия
туда и обратно). Максимальное Round Trip Timing сигналов на общедоступном канале
Ethernet строго ограничено для того, чтобы гарантировать, что каждый интерфейс
может слышать все сигналы в пределах указанного времени, обеспеченного в системе
управления доступом среды Ethernet.
Чем дольше сегмент, тем больше времени требуется для путешествия сигнала по
нему. Цель конфигурации состоит в том, чтобы удостовериться, что Round Trip
Timing выполнено, независимо от того какая комбинация сегментов используется
в системе. Конфигурирование обеспечивает правила для того, чтобы объединить
сегменты с повторителями так, чтобы была достигнута правильная синхронизация
сигнала. Если не соблюдены спецификации для индивидуальных длин сегментов и
правил конфигурации, то компьютеры не смогут слышать сигналы друг друга.
Правильная операция локальной сети Ethernet зависит от правильно или неправильно
связанных сегментов. Более сложные локальные сети, сформированные с разными
типами носителей, должны быть установлены согласно рекомендациям, которые содержатся
в стандарте Ethernet. Эти правила включают ограничения на количество сегментов
и повторителей, которые могут быть в данной системе, для того, чтобы убедится,
что Round Trip Timing верно.
Расширение Ethernet с помощью Концентраторов
Ethernet был разработан таким образом, чтобы быть легко расширяемым. Для того,
чтобы расширять системы Ethernet, существуют устройства, которые обеспечивают
множественные порты Ethernet. Эти устройства известны как концентраторы, так
как они обеспечивают центральную часть, или концентратор, системы носителей.
Есть два главных вида концентраторов: концентраторы-повторители и коммутирующие
концентраторы. Каждый порт концентратора-повторителя связывает индивидуальные
сегменты Ethernet вместе, чтобы создать большую сеть, которая работает как одна.
Полный набор сегментов и повторителей в LAN должен соответствовать round trip
timing спецификации. Второй вид концентратора обеспечивает коммутацию на пакетном
уровне, основанную на соединении портов.
Каждый порт коммутирующего концентратора пакета обеспечивает подключение к сети,
которая работает как отдельная. В отличие от концентратора-повторителя, чьи
индивидуальные порты соединяют сегменты, чтобы создать одну большую сеть, коммутирующий
концентратор позволяет делить набор систем носителей Ethernet в множественные
LAN, которые связаны вместе посредством пакетной коммутации в концентраторе.
Правила Round trip timing для каждой LAN перестают действовать в порту коммутирующего
концентратора. Это позволяет Вам связывать большое количество индивидуальных
LAN вместе.
Такая сеть может состоять или из просто одного кабельного сегмента, связывающего
некоторое количество компьютеров, или из концентратора-повторителя, связывающего
несколько таких сегментов вместе. Большие сети могут быть соединены вместе,
используя коммутирующие концентраторы пакета, чтобы сформировать ещё большую.
В то время как сеть может поддерживать от нескольких компьютеров до десятков,
полная система LAN Ethernet, связанная пакетными коммутаторами может поддержать
много сотен или тысячи машин.
