Ethernet

Говоря об локальных вычислительных сетях (ЛВС) вообще, чаще всего подразумевают ЛВС Ethernet. Протокол Ethernet был разработан в 70-х гг. и с тех пор, являясь самым популярным сетевым протоколом канального уровня, неоднократно модернизировался, чтобы соответствовать возрастающим требованиям сетей и их пользователей. Современные сети Ethernet работают со скоростями 10, 100 и 1000 Мбит/сек (1 Гбит/сек), что позволяет им справляться с передачей данных, как в небольших домашних, так и в мощных магистральных сетях.

Стандарты Ethernet

Существует два набора стандартов Ethernet. Первый, исходный вариант протокола Ethernet, был разработан Digital Equipment Corporation (DEC), Intel и Xerox и известен теперь как DIX Ethernet. Стандартом DIX Ethernet, опубликованным в 1980 г., определяются сети на коаксиальном кабеле со скоростью передачи данных 10 Мбит/сек и топологией «шина». Этот стандарт называют также «толстым» Ethernet, ThickNet или 10Base5. В стандарте DTX Ethernet II, опубликованном в 1982 г., появилась возможность использования в качестве сетевой среды коаксиального кабеля RG58. Этот стандарт называется «тонким» Ethernet, ThinNet, Cheapernet или 10Base2.

Примерно в это же время Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (Institute of Electrical and Electronics Engineers. IEEE) принял решение о создании международного стандарта для сетей этого типа, который, в отличие от Ethernet DIX, не был бы собственностью частной компании. В 1980 г. IEEE создал рабочую группу IEEE 802.3, которая начала разработку Ethernet-подобного стандарта ЛВС. Назвать его Ethernet было нельзя, так как фирма Xerox зарегистрировала это название в качестве своего товарного знака, но в 1985 г. группа IEEE 802.3 опубликовала документ «IEEE 802.3 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD) Access Method and Physical Layer Specifications», в который помимо спецификаций для двух видов коаксиальных кабелей, что имелись в DIX Ethernet, была включена спецификация 10BaseT для кабеля «неэкранированная витая пара» (UTP). В последующие голы рабочая группа IEEE 802.3 опубликовала также документы IEEE 802.3u со стандартом Fast Ethernet для сетей со скоростью 100 Мбит/сек, а также IEEE 802.3z и IEEE 802.3ab со стандартом Gigabit Ethernet для сетей со скоростью 1000 Мбит/сек.

Стандарт IEEE 802.3 не особенно отличается от DIX Ethernet. Помимо уже упомянутых дополнительных спецификаций физического уровня, в стандарте IEEE используется несколько иной формат кадра (frame). Хотя на компьютерном рынке все еще используется термин Ethernet, на самом деле в современных сетях работает протокол IEEE 802.3, так как именно в нем поддерживаются такие стандарты физического уровня, как Fast Ethernet и Gigabit Ethernet. Развитие DIX Ethernet остановилось на стандарте Ethernet II, и сейчас под Ethernet всегда подразумевается стандарт IEEE 802.3. В повседневном использовании от DIX Ethernet остался лишь один элемент — формат кадра Ethernet II с полем Ethertype, идентифицирующим протокол сетевого уровня, который сгенерировал данные в пакете.

IEEE 802.3, и DIX Ethernet состоят из 3 основных компонентов:

• спецификаций физического уровня;

• формата кадра;

• механизма управления доступом к среде CSMA/CD.

Спецификации физического уровня

В спецификации физического уровня стандартов Ethernet включаются допустимые типы кабеля и топологии построения сети, а также другие важные параметры, например, максимальная длина кабеля и допустимое число повторителей. Основные спецификации физического уровня Ethernet приведены в таблице 1. Соблюдение этих ограничений необходимо для построения надежной сети Ethernet: с их помощью Вы сведете к минимуму такие присущие всем сетям неблагоприятные факторы, как затухание сигнала и перекрестные помехи, которые могут помешать работе механизма CSMA/CD. Обнаружение коллизий невозможно без точной синхронизации, поэтому особую важность для устойчивой работы сети приобретают длина кабеля и количество использованных повторителей.

Таблица 1.

Спецификации физического уровня Ethernet

Обозначение	Тип кабеля	Топология	Скорость сегмента	Максимальная длина
10Base5	Коаксиальный кабель RG8	Шина	10 Мбит/сек	500 м
10Base2	Коаксиальный кабель RG58	Шина	10 Мбит/сек	185 м
10BaseT	Витая пара 3 категории	Звезда	10 Мбит/сек	100 м
FOIRL	Многорежимное оптоволокно 62,5/125	Звезда	10 Мбит/сек	1000 м
10BaseFL	Многорежимное оптоволокно 62,5/125	Звезда	10 Мбит/сек	2000 м
10BaseFB	Многорежимное оптоволокно 62,5/125	Звезда	10 Мбит/сек	2000 м
10BaseFP	Многорежимное оптоволокно 62,5/125	Звезда	10 Мбит/сек	500 м
100BaseTX	Витая пара 5 категории	Звезда	100 Мбит/сек	100 м
100BaseT4	Витая пара 3 категории	Звезда	100 Мбит/сек	100 м
100BaseFX	Многорежимное оптоволокно 62,5/125	Звезда	100 Мбит/сек	412 м
1000BaseLX	Однорежимное оптоволокно 9/125	Звезда	1000 Мбит/сек	5000 м
1000BaseLX	Многорежимное оптоволокно 50/125 или 62,5/125	Звезда	1000 Мбит/сек	550 м
1000BaseSX	Многорежимное оптоволокно 50/125 (400 МГц)	Звезда	1000 Мбит/сек	500 м
1000BaseSX	Однорежимное оптоволокно 50/125 (500 МГц)	Звезда	1000 Мбит/сек	550 м
1000BaseSX	Однорежимное оптоволокно 62,5/125 (160 МГц)	Звезда	1000 Мбит/сек	220 м
1000BaseSX	Однорежимное оптоволокно 62,5/125 (200 МГц)	Звезда	1000 Мбит/сек	275 м
1000BaseLH	Однорежимное оптоволокно 9/125	Звезда	3000 Мбит/сек	10 км
1000BaseZX	Однорежимное оптоволокно 9/125	Звезда	1000 Мбит/сек	100 км
1000BaseCX	150-омный экранированный медный кабель	Звезда	1000 Мбит/сек	25 м
1000BaseT	Витая пара категории 5 или 5Е	Звезда	1000 Мбит/сек	100 м

Ethernet на коаксиальном кабеле

Спецификации 10Base5 и 10Base2 коаксиального кабеля в сети Ethernet единственные из всех стандартов требуют использования топологии «шина». Под максимальной длиной сегмента в данном случае понимается полная длина шины от одного терминатора до другого (рис. 1). Сегмент кабеля, соединяющий более двух компьютеров, называется магистральным сегментом (mixing segment). Стандарты с коаксиальным кабелем сегодня почти не используются (не считая старых сетей), поскольку коаксиальный кабель труднее прокладывать и обслуживать, чем витую пару. Кроме того, максимальная скорость передачи данных по такому кабелю составляет всего 10 Мбит/сек.

Рис. 1. Магистральный сегмент объединяет в сеть несколько компьютеров

Ethernet на витой паре

Во всех других спецификациях физического уровня Ethernet используется топология «звезда», где каждый компьютер соединяется с концентратором отдельным сегментом кабеля. Кабель, соединяющий два устройства, называется связывающим сегментом (link segment). Самый популярный вид кабеля в современных сетях Ethernet — неэкранированная витая пара. Это связано как с легкостью установки, так и с повышенной скоростью передачи данных — 10, 100 и даже 1000 Мбит/сек. В Ethernet 10BaseT компьютер соединяется с концентратором-повторителем сегментом кабеля, длина которого может достигать 100 м. И еще на 100 м концентратор передает сигнал другому компьютеру (рис. 2). В 10BaseT из четырех витых пар в кабеле используются только две: одна для передачи данных, вторая — для приема.

Хотя в большинстве сетей на витой паре две из четырех пар не используются, не пытайтесь подключить к свободным парам телефон или другое коммуникационное устройство (по крайней мере, на время работы сети). Это приведет к возникновению чрезмерных перекрестных помех.

Рис. 2. Кабель UTP соединяет Ethernet-систему с концентратором, а тот предает сигнал другому концентратору или компьютеру

В стандарт Fast Ethernet (IEEE 802.3u) включены две спецификации кабелей UTP, известные под общим обозначением 100BaseT. Максимальная длина сегмента в обеих по-прежнему 100 м. В 100BaseTX это осуществимо за счет использования кабеля более высокой категории (5), обеспечивающей повышенное качество передачи сигнала. В стандарте 100BaseТ4 данные передаются со скоростью 100 Мбит/сек даже по кабелю 3 категории, который используется в старых сетях Ethernet и телефонных сетях. Отличие между стандартами 100BaseTX и 100BaseТ4 заключается в том, что в первом задействовано только две пары проводов, как и в 10BaseT, а во втором используются все четыре. Наряду с обычными парами для приема и передачи две оставшиеся пары применяются в 100BaseT4 для двусторонних коммуникаций. Почти во всех спецификациях физического уровня Gigabit Ethernet, определенных стандартом IEEE 802.3z, используется оптоволоконный кабель, с единственным исключением, которое описано в документе IEEE 802.3ab. Стандартом 1000BaseT, спроектированным специально для обновления существующих сетей на витой паре со 100-метровыми сегментами, допускается использование кабелей UTP обычной 5 категории, но максимально ему соответствуют более надежные кабели категории 5Е (усовершенствованная 5 категория), официально утвержденной ассоциацией EIA/TIA (Electronics Industry Association and Telecommunications Industry Association). Производительность кабеля категории 5Е мало отличается от кабеля категории 5, а полоса пропускания у обеих и вовсе одна и та же. К категории 5Е предъявляются повышенные требования к устойчивости относительно определенных типов перекрестных помех, а также добавлено несколько новых параметров производительности. Высокая скорость передачи в стандарте 1000BaseT достигается, как и в стандарте 100BaseT4, за счет использования всех четырех пар, а также за счет применения особой схемы передачи сигнала РАМ-5 (Pulse Amplitude Modulation-5).

Ethernet на оптоволоконном кабеле

Возможность использования оптоволоконных кабелей включалась в стандарты физического уровня Ethernet с первых дней его существования. Спецификация FOIRL (Fiber Optic Inter-Repeater Link) была частью стандарта DIX Ethernet II, а в стандарт IEEE 802-3 вошли спецификации 10BaseFL, 10BaseFB и 10BaseFP для использования в сетях различных типов. Ни одна из этих спецификаций не была особенно популярна, так как работать в оптоволоконной сети на скорости 10 Мбит/сек просто несерьезно. Первенство вскоре завоевал не относящийся к Ethernet протокол FDDI (Fiber Distributed Data Interface) со скоростью передачи 100 Мбит/сек. Позже в рамках стандарта Fast Ethernet появилась спецификация 100BaseFX для оптоволоконного кабеля со скоростью 100 Мбит/сек. В 100BaseFX используется то же оборудование, что и в 10BaseFL, но длина сегмента кабеля не должна превышать 412 метров.

Новейшая разновидность Ethernet — Gigabit Ethernet со скоростью передачи данных до 1000 Мбит/сек. В подавляющем большинстве спецификаций физического уровня Gigabit Ethernet применяется оптоволоконный кабель, но допускается применение разных его типов с различной максимальной длиной сегментов. Однорежимный оптоволоконный кабель предназначен для передачи данных на очень большие расстояния, что позволяет использовать Gigabit Ethernet для соединения удаленных сетей или, например, для создания опорных сетей в небольших городках.