Кадр Ethernet DIX (Ethernet II)

Этот тип кадра имеет структуру, совпадающую с предыдущим, однако 2-байтовое поле длины кадра используется в качестве поля типа протокола. Это поле, теперь получившее название Туре (Т) или EtherType, предназначено для тех же целей, что и поля DSAP и SSAP кадра LLC – для указания типа протокола верхнего уровня, вложившего свой пакет в поле данных этого кадра. Однако один и тот же сетевой протокол будет иметь разные коды для полей SAP и EtherType. Например, протокол IP имеет код 2048 (0x0800) для поля EtherType и код 6 для поля SAP. Исторически значения кодов для поля EtherType появились раньше значений SAP.

Кадр Ethernet SNAP

Для устранения разнобоя в кодировках типов протоколов, сообщения которых вложены в поле данных кадров Ethernet, комитетом 802.2 была проведена работа по дальнейшей стандартизации кадров Ethernet. В результате появился кадр Ethernet SNAP (SNAP –SubNetworkAccessProtocol, протокол доступа к подсетям). Кадр Ethernet SNAP (см. рис 2.4) представляет собой расширение кадра 802.3/LLC за счет введения дополнительного заголовка протокола SNAP, состоящего из двух полей: OUI и Туре. Поле Туре состоит из 2-х байт и повторяет по формату и назначению поле EtherТуре кадра Ethernet II (то есть в нем используются те же значения кодов протоколов). Поле OUI (OrganizationallyUniqueIdentifier) определяет идентификатор организации, которая контролирует коды протоколов в поле Туре. С помощью заголовка SNAP достигнута совместимость с кодами протоколов в кадрах Ethernet II, а также создана универсальная схема кодирования протоколов. Коды протоколов для технологии 802 контролирует IEEE, которая имеет OUI, равный 000000. Если в будущем потребуются другие коды протоколов для какой-либо новой технологии, для этого достаточно указать другой идентификатор организации, назначающей эти коды, а старые значения кодов останутся в силе (в сочетании с другим идентификатором OUI).

Так как SNAP представляет собой протокол, вложенный в протокол LLC, то в полях DSAP и SSAP записывается код 0хАА, отведенный для протокола SNAP. Поле Control заголовка LLC устанавливается в 0x03, что соответствует использованию ненумерованных кадров.

Распознавание и использование различных типов кадров Ethernet

Автоматическое распознавание типов кадров Ethernet выполняется достаточно несложно. Для кодирования типа протокола в поле EtherType указываются значения, превышающие значение максимальной длины поля данных, равное 1500, поэтому кадры Ethernet II легко отличить от других типов кадров по значению поля L/T. Дальнейшее распознавание типа кадра проводится по наличию или отсутствию полей LLC. Поля LLC могут отсутствовать только в том случае, если за полем длины идет начало пакета IPX, а именно 2-байтовое поле контрольной суммы пакета, которое всегда заполняется единицами, что дает значение в 255 байт. Ситуация, когда поля DSAP и SSAP одновременно содержат такие значения, возникнуть не может, поэтому наличие двух байт 255 говорит о том, что это кадр Raw 802.3. В остальных случаях производится анализ значений полей DSAP и SSAP. Если они равны 0хАА, то это кадр Ethernet SNAP, если нет, то кадр 802.3/LLC.

Использование того или иного типа кадра зависит от решения разработчика протокола сетевого уровня. Например, протокол IP использует кадры Ethernet DIX и Ethernet SNAP.

Спецификации физической среды Ethernet

Для стандарта Ethernet 10 Мбит/с существует четыре спецификации физического уровня, использующие различные типы передающей среды: 10Base-5, 10Base-2, 10Base-T, 10Base-F. Число 10 в вышеуказанных названиях обозначает скорость передачи 10 Мбит/с, слово Base – метод передачи с использованием одной несущей частоты, последний символ - тип используемого кабеля.

Base-5

Считается классическим Ethernet. Используется «толстый» коаксиальный кабель RG-8 с диаметром центрального провода 2 мм и внешним диаметром 10 мм. Волновое сопротивление кабеля 50 Ом. Один сегмент (отрезок) кабеля может иметь максимальную длину 500 м (см. рис.) и должен иметь на концах согласующие сопротивления 50 Ом (terminator), препятствующие распространению в кабеле отраженных волн. Согласующее сопротивление включается между центральным и внешним проводниками кабеля.

Станция подключается к кабелю при помощи специального приемопередатчика – трансивера (рис.). Трансивер устанавливается непосредственно на кабеле, при этом электрическое соединение с кабелем обеспечивается через отверстия в изоляции (физическая целостность отрезка кабеля не нарушается). Трансивер соединяется с сетевым адаптером компьютера интерфейсным кабелем AUI (AttachmentUnitInterface) длиной до 50 м, состоящим из 4-х витых пар. К одному сегменту кабеля допускается подсоединение не более 100 трансиверов. Минимальное расстояние между трансиверами – 2,5 м. Помимо приема и передачи данных между кабелем и сетевым адаптером в функции трансивера входит обнаружение коллизий и защита передающей среды от некорректной работы сетевого адаптера.

 

Сеть стандарта 10Base-5

 

 

Трансивер стандарта 10Base-5(vampiretap)

 

Стандарт 10Base-5 допускает использование специальных устройств – повторителей (repeater) – для соединения в одну сеть разных сегментов кабеля (рис.). Повторитель выполняет функции регенерации электрических сигналов, передаваемых по кабелю, и вносит дополнительную задержку распространения сигнала. Стандарт допускает использование 4-х повторителей и 5-и последовательно соединенных сегментов кабеля, при этом общая длина (диаметр) сети может достигать 2500 метров.

Соединение сегментов 10Base-5при помощи повторителей

 

К достоинствам стандарта 10Base-5 относятся:

- высокая механическая прочность кабеля;

- большой максимальный диаметр сети (2500 м).

К недостаткам стандарта 10Base-5 относятся:

- высокая стоимость кабеля и трансиверов;

- сложность монтажа кабеля из-за его жесткости и необходимость использования специального инструмента для монтажа трансиверов;

- низкая надежность (при единичном повреждении кабеля или выходе из строя одного трансивера отказывает вся сеть).

Стандарт 10Base-2

Стандарт 10Base-2 (рис.) использует в качестве среды передачи «тонкий» коаксиальный кабель марки RG-58 с диаметром центрального провода 0,89 мм и внешним диаметром 5 мм. Максимальная длина сегмента без повторителей составляет 185 м, сегмент должен иметь на концах согласующие сопротивления (terminator) 50 Ом (рис.). Станции подключаются к кабелю с помощью высокочастотного BNC Т-коннектора, который представляет собой тройник, один отвод которого соединяется с сетевым адаптером, а два других – с двумя концами разрыва кабеля, либо на один из отводов устанавливается согласующее сопротивление (рис.). Одно из согласующих сопротивлений должно быть заземлено. Максимальное количество станций, подключаемых к одному сегменту – 30. Минимальное расстояние между станциями – 1м.

Сеть стандарта 10Base-2

Согласующее сопротивление (терминатор) с отводом для заземления

 Т-коннектор с подключенным кабелем и терминатором

Стандарт 10Base-2 также предусматривает использование 4-х повторителей и 5-и сегментов кабеля. В этом случае сеть будет иметь максимальную длину в 5*185 - 925 м.

Реализация этого стандарта на практике приводит к наиболее простому решению для кабельной сети, так как для соединения компьютеров требуются только сетевые адаптеры и Т-коннекторы. Однако этот вид кабельных соединений наиболее сильно подвержен авариям и сбоям: кабель восприимчив к помехам, в моноканале имеется большое количество механических соединений (каждый T-коннектор дает три механических соединения, два из которых имеют жизненно важное значение для всей сети), пользователи имеют доступ к разъемам и могут нарушить целостность моноканала. Кроме того, эстетика и эргономичность этого решения оставляют желать лучшего, так как от каждой станции через T-коннектор отходят два довольно заметных провода, которые под столом часто образуют моток кабеля - запас, необходимый на случай даже небольшого перемещения рабочего места.

К достоинствам стандарта 10Base-2 относятся:

- низкая стоимость;

- простота монтажа сети;

К недостаткам стандарта 10Base-2 относятся:

- низкая надежность (при единичном повреждении кабеля или некорректной работе одного сетевого адаптера отказывает вся сеть).

Стандарт 10Base-T

Сети 10Base-T используют в качестве среды две неэкранированные витые пары - UnshieldedTwistedPair, UTP (рис.) категории 3 (категория определяет полосу пропускания кабеля, величину перекрестных наводок и некоторые другие параметры его качества).

Компьютеры соединяются по топологии «точка-точка» со специальным устройством –многопортовым повторителем с помощью двух витых пар (см. рис.). Одна витая пара требуется для передачи данных от станции к повторителю (выход Тх сетевого адаптера), а другая — для передачи данных от повторителя к станции (вход Rx сетевого адаптера). Повторитель принимает сигналы от одного из конечных узлов и синхронно передает их на все свои остальные порты, кроме того, с которого поступили сигналы.

Сеть стандарта 10 Base- T

Многопортовые повторители в данном случае обычно называются концентраторами (англоязычные термины - hub или concentrator). Концентратор (рис. 2.4.8) осуществляет функции повторителя сигналов на всех отрезках витых пар, подключенных к его портам, так что образуется единая среда передачи данных. Кроме того, повторитель обнаруживает коллизию в сегменте в случае одновременной передачи сигналов по нескольким своим Rx входам и посылает jam-последовательность на все свои Tx-выходы.

 

Концентраторы стандарта 10 Base- T

Несмотря на то, что отрезки кабеля в стандарте 10Base-T по-прежнему образуют общую разделяемую среду, их физическое разделение позволяет концентратору контролировать их состояние и отключать в том случае если порт работает некорректно. Автоматическое отключение порта (автосегментация порта - autopartitioning) производится в случае обрыва или короткого замыкания кабеля, а так же в том случае, если сетевой адаптер формирует кадры недопустимого формата или является источником постоянных коллизий.

Максимальное расстояние отрезка витой пары между двумя непосредственно связанными узлами (станциями и концентраторами) не более 100 м при использовании витой пары качества не ниже категории 3.

 

Кабель UTP «неэкранированная витая пара» и разъем RJ-45

Возможно иерархическое соединение концентраторов в дерево (рис. 2.4.10). Концентраторы 10Base-T можно соединять друг с другом с помощью тех же портов, которые предназначены для подключения конечных узлов. При этом передатчик и приемник одного порта соединяются соответственно с приемником и передатчиком другого порта. Между любыми двумя станциями сети может находиться максимум 4 последовательно соединенных концентратора. При построении сетей очень часто используют иерархическое двухуровневое соединение концентраторов (см. рис. 2.8). Очевидно, что если между любыми двумя узлами сети не должно быть больше 4-х повторителей, то максимальный диаметр сети 10Base-T составляет 5*100 - 500 м.

Для удобства соединения концентраторов между собой каждый концентратор обычно имеет один порт, называемый MDI-X или UpLink. Этот порт имеет кроссированную разводку (в нем поменяны местами пары Rx и Tx). Это позволяет использовать для соединения концентраторов стандартные отрезки соединительного кабеля с некроссированными парами проводов, которые используются для подключения компьютеров к концентратору. При этом порт UpLink концентратора, нижележащего в иерархии, подключается к одному из обычных портов концентратора, являющегося корневым.

Иерархическое соединение концентраторов

Сети, построенные на основе стандарта 10Base-T, обладают по сравнению с коаксиальными вариантами Ethernet многими преимуществами. Эти преимущества связаны с разделением общего физического кабеля на отдельные кабельные отрезки, подключенные к центральному коммуникационному устройству. И хотя логически эти отрезки по-прежнему образуют общую разделяемую среду, их физическое разделение позволяет контролировать их состояние и отключать в том случае если порт работает некорректно. Автоматическое отключение порта производится в случае обрыва или короткого замыкания кабеля, а так же в том случае, если сетевой адаптер формирует кадры недопустимого формата или является источником постоянных коллизий. Благодаря этим преимуществам стандарт 10Base-T получил наибольшее распространение среди десятимегабитных стандартов Ethernet.

Сетевойадаптер Ethernet, имеющийинтерфейсы 10Base-5, 10Base-2 и 10Base-T

Стандарт 10Base-F

Оптоволоконные стандарты в качестве основного типа кабеля используют достаточно дешевое многомодовое оптическое волокно, обладающее полосой пропускания 500-800 МГц при длине кабеля 1 км.

Функционально сеть Ethernet на оптическом кабеле состоит из тех же элементов, что и сеть стандарта 10Base-T - сетевых адаптеров, многопортового повторителя 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 Тx адаптера со входом Rx повторителя, а другое — вход Rx адаптера с выходом Тх повторителя.

Стандарт 802.3dFOIRL (FiberOpticInter-RepeaterLink) представляет собой первый стандарт комитета 802.3 для использования оптоволокна в сетях Ethernet. Он гарантирует длину оптоволоконной связи между повторителями до 1 км при общей длине сети не более 2500 м. Максимальное число повторителей между любыми узлами сети — 4. Максимального диаметра в 2500 м здесь достичь можно, хотя максимальные отрезки кабеля между всеми 4 повторителями, а также между повторителями и конечными узлами недопустимы — иначе получится сеть длиной 5000 м.

Стандарт 10Base-FL представляет собой незначительное улучшение стандарта FOIRL. Увеличена мощность передатчиков, поэтому максимальное расстояние между узлом и концентратором увеличилось до 2000 м. Максимальное число повторителей между узлами осталось равным 4, а максимальная длина сети — 2500 м.

Стандарт 10Base-FB предназначен только для соединения повторителей. Конечные узлы не могут использовать этот стандарт для присоединения к портам концентратора. Между узлами сети можно установить до 5 повторителей 10Base-FB при максимальной длине одного сегмента 2000 м и максимальной длине сети 2740 м. Повторители, соединенные по стандарту 10Base-FB, при отсутствии кадров для передачи постоянно обмениваются специальными последовательностями сигналов, отличающимися от сигналов кадров данных, для поддержания синхронизации. Поэтому они вносят меньшие задержки при передаче данных из одного сегмента в другой, и это является главной причиной, по которой количество повторителей удалось увеличить до 5.

Основное преимущество сетей 10Base-F перед остальными спецификациями Ethernet 10 Мбит/с заключается в использовании оптоволоконного кабеля, что обеспечивает:

- меньшее затухание сигнала и большая протяженность кабеля;

- нечувствительность к электромагнитным помехам;

- отсутствие электромагнитного излучения при передаче данных;

- обеспечение гальванической развязки между передатчиком и приемником данных.

Обычно оптоволоконные соединения используются для организации магистральных связей между коммуникационным оборудованием. Подключение конечных узлов (компьютеров) возможно при помощи трансиверов, обеспечивающих переход от оптоволоконного кабеля к витой паре или кабелю AUI (рис.).

Не смотря на то, что во многих источниках указано, что спецификация 10Base-FL определяет применение разъема ST (Straight-TipConnector, рис.), а спецификация 100Base-FX рекомендует разъем SC, (рис.), на практике оба типа разъема одинаково широко представлены в составе изделий обоих стандартов (может быть для оборудования 10Base-FL рекомендации стандарта выполняются производителями более тщательно). При этом оба типа разъемов применяются как в многомодовых, так и в одномодовых исполнениях.

Оптический разъем типа ST

Оптическийразъемтипа SC

Внешний вид разъемов типа SC и ST

Трансивер 10Base-F – 10Base-T