Ethernet – це найпоширеніший на сьогоднішній день стандарт локальних мереж.
Коли говорять Ethernet, то під цим звичайно розуміють всі варіанти цієї технології. У більш вузькому смислі Ethernet – це мережевий стандарт, заснований на експериментальній мережі Ethernet Network, яку фірма Xerox розробила і реалізувала в 1975 році. Метод доступу був випробуваний ще раніше: у другій половині 60-х років у радіомережі Гавайського університету використовувалися різні варіанти випадкового доступу до загального радіосередовища, що одержали загальну назву Aloha. У 1980 році фірми DEC, Intel і Xerox спільно розробили й опублікували стандарт Ethernet версії II для мережі, побудованої на основі коаксіального кабелю, що став останньою версією фірмового стандарту Ethernet. Тому фірмову версію стандарту Ethernet називають стандартом Ethernet DIX чи Ethernet II.
На основі стандарту Ethernet DIX був розроблений стандарт IEEE 802.3, що багато в чому збігається зі своїм попередником, але деякі розходження все-таки є. У той час як у стандарті IEEE 802.3 виділено рівні MAC і LLC, в оригінальному Ethernet обидва ці рівні об’єднані в єдиний канальний рівень. У Ethernet DIX визначається протокол тестування конфігурації (Ethernet Configuration Test Protocol), який відсутній у IEEE 802.3. Дещо відрізняється і формат кадру, хоча мінімальні і максимальні розміри кадрів у цих стандартах збігаються. Часто для того, щоб відрізнити Ethernet, визначений стандартом IEEE, і фірмовий Ethernet DIX, перший називають технологією 802.3, а за фірмовим залишають назву Ethernet без додаткових позначень.
В залежності від типу фізичного середовища стандарт IEEE 802.3 має різні модифікації – 10BASE5, 10BASE2, 10BASE-T, 10BASE-F (10Base-FL, 10Base-FB).
У 1995 році був прийнятий стандарт Fast Ethernet, що багато в чому не є самостійним стандартом, про що говорить і той факт, що його опис є додатковим розділом до основного стандарту 802.3 – розділом 802.3і. Аналогічно, прийнятий у 1998 році стандарт Gigabit Ethernet описаний у розділі 802.3z основного документу.
Для передачі двійкової інформації кабелем, для усіх варіантів фізичного рівня технології Ethernet, що забезпечують пропускну здатність 10 Мбіт/с, використовується манчестерський код.
Усі види стандартів Ethernet (у тому числі і МЕРЕЖІ Fast (Gigabit) Ethernet) використовують той самий метод поділу середовища передачі даних – метод CSMA/CD.
CSMA/CD
Цей метод застосовується винятково в мережах з логічною загальною шиною (до яких відносяться і радіомережі, що породили цей метод). Усі комп’ютери такої мережі мають безпосередній доступ до загальної шини, тому вона може бути використана для передачі даних між будь-якими двома вузлами мережі. Одночасно всі комп’ютери мережі мають можливість негайно (з урахуванням затримки поширення сигналу по фізичному середовищу) одержати дані, які будь-який з комп’ютерів почав передавати в загальну шину. Простота схеми підключення – це один з факторів, що визначили успіх стандарту Ethernet. Говорять, що кабель, до якого підключені всі станції, працює в режимі колективного доступу (Multiply Access, MA).
Етапи доступу до середовища.
Усі дані, передані мережею, розміщуються в кадри визначеної структури і забезпечуються унікальною адресою станції призначення. Щоб одержати можливість передавати кадр, станція повинна переконатися, що розподілене середовище вільне. Це досягається прослуховуванням основної гармоніки сигналу, що також називається несучою частотою (carrier-sense, CS). Ознакою незайнятості середовища є відсутність на ній несучої частоти, що при манчестерському способі кодування рівна 5-10 Мгц, у залежності від послідовності одиниць і нулів, переданих у даний момент. Якщо середовище вільне, то вузол має право почати передачу кадру. Цей кадр зображений на Мал першим. Вузол 1 визначив, що середовище вільне, і почав передавати свій кадр. У класичній мережі Ethernet на коаксіальному кабелі сигнали передавача вузла 1 поширюються в обидва боки, так що усі вузли мережі їх одержують. Кадр даних завжди супроводжується преамбулою (preamble), що складається з 7 байт, яка, в свою чергу, складається зі значень 10101010, і 8-го байта, рівного 10101011. Преамбула потрібна для входження приймача в побітову і побайтову синхронізацію з передавачем. Усі станції, підключені до кабелю, можуть розпізнати факт передачі кадру, і та станція, що визначить адресу в заголовках кадру як власну, записує його вміст у свій внутрішній буфер, обробляє отримані дані, передає їх нагору по своєму стеку, а потім посилає кабелем кадр-відповідь. Адреса станції-джерела міститься у вихідному кадрі, тому станція-одержувач знає, кому потрібно послати відповідь. Вузол 2 під час передачі кадру вузлом 1 також намагався почати передачу свого кадру, однак знайшов, що середовище зайняте – присутня несуча частота, – тому вузол 2 змушений чекати, поки вузол 1 не припинить передачу кадру.
Мал. Метод доступу CSMA/CD.
Після закінчення передачі кадру усі вузли мережі зобов’язані витримати технологічну паузу (Inter Packet Gap) у 9,6 мкс (або 96 біт). Ця пауза, яку також називають міжкадровим інтервалом, потрібна для приведення мережевих адаптерів у вихідний стан, а також для запобігання монопольного захоплення середовища однією станцією. Після закінчення технологічної паузи вузли мають право почати передачу свого кадру, тому що середовище вільне. Через затримки поширення сигналу кабелем не всі вузли суворо одночасно фіксують факт закінчення передачі кадру вузлом 1. В наведеному прикладі, вузол 2 дочекався закінчення передачі кадру вузлом 1, зробив паузу в 9,6 мкс і почав передачу свого кадру.
ВИНИКНЕННЯ КОЛІЗІЇ
Колізія – це нормальна ситуація в роботі мереж Ethernet.
У прикладі, зображеному на Мал., колізію породила одночасна передача даних вузлами 3 і 1. Для виникнення колізії не обов’язково, щоб кілька станцій почали передачу абсолютно одночасно, така ситуація малоймовірна. Набагато ймовірніше, що колізія виникає через те, що один вузол починає передачу раніше іншого, але до іншого вузла сигнали першого просто не встигають дійти за той час, коли другий вузол вирішує почати передачу свого кадру. Тобто колізії – це наслідок розподіленого характеру мережі.
Щоб коректно обробити колізію, усі станції одночасно спостерігають за сигналами, які виникають на кабелі . Якщо передані сигнали і сигнали, що спостерігаються, відрізняються, то фіксується виявлення колізії (collision detection, CD). Для збільшення імовірності якнайшвидшого виявлення колізії всіма станціями мережі, станція, яка знайшла колізію, перериває передачу свого кадру (у довільному місці, можливо, і не на межі байта) і підсилює ситуацію колізії посилкою в мережу спеціальної послідовності з 32 біт, названою jam-послідовністю.
Після цього передавальна станція, що знайшла колізію, зобов’язана припинити передачу і зробити паузу протягом короткого випадкового інтервалу часу. Потім вона може знову почати спробу захоплення середовища і передачі кадру. Випадкова пауза вибирається за наступним алгоритмом:
Пауза = L х (інтервал відстрочки),
де інтервал відстрочки дорівнює 512 бітовим інтервалам (у технології Ethernet прийнято всі інтервали вимірювати в бітових інтервалах; бітовий інтервал позначається як bt і відповідає часу між появою двох послідовних біт даних на кабелі; для швидкості 10 Мбіт/с величина бітового інтервалу дорівнює 0,1 мкс чи 100 нс); L представляє собою ціле число, обране з рівною імовірністю з діапазону [0, 2N], де N – номер повторної спроби передачі даного кадру: 1,2,.., 10.
Після 10-ї спроби інтервал, з якого вибирається пауза, не збільшується. Таким чином, випадкова пауза може приймати значення від 0 до 52,4 мс.
Якщо 16 послідовних спроб передачі кадру викликають колізію, то передавач повинен припинити спроби і відкинути цей кадр. З опису методу доступу видно, що він носить імовірнісний характер, і ймовірність успішного одержання у своє розпорядження загального середовища залежить від завантаженості мережі, тобто від інтенсивності виникнення у станціях потреби передачі кадрів. При розробці цього методу наприкінці 70-х років передбачалося, що швидкість передачі даних у 10 Мбіт/с дуже висока порівняно з потребами комп’ютерів у взаємному обміні даними, тому завантаження мережі буде завжди невеликим. Це припущення залишається іноді справедливим і донині, однак з’явилися додатки, що працюють у реальному масштабі часу з мультимедійною інформацією, що дуже завантажують сегменти Ethernet. При цьому колізії виникають набагато частіше. При значній інтенсивності колізій корисна пропускна здатність мережі Ethernet різко падає, тому що мережа майже постійно зайнята повторними спробами передачі кадрів. Для зменшення інтенсивності виникнення колізій потрібно або зменшити трафік, скоротивши, наприклад, кількість вузлів у сегменті, або підвищити швидкість протоколу, наприклад перейти на Fast Ethernet.
Слід зазначити, що метод доступу CSMA/CD загалом не гарантує станції, що вона коли-небудь зможе одержати доступ до середовища. Звичайно, при невеликому завантаженні мережі ймовірність такої події невелика, але при коефіцієнті використання мережі, що наближається до 1, така подія стає дуже ймовірною. Цей недолік методу випадкового доступу – плата за його надзвичайну простоту, яка зробила технологію Ethernet дуже недорогою. Інші методи доступу – маркерний доступ мереж Token Ring і FDDI, метод Demand Priority мереж 100VG-AnyLAN – позбавлені цього недоліку.