Развитие мультимедиа технологий привело к необходимости повышения пропускной способности линий связи. В этой связи была разработана технология Gigabit Ethernet, предусматривающая передачу данных со скоростью 1 Гбит/с. В данной технологии, также как в Fast Ethernet, была сохранена преемственность с технологией Ethernet: практически не изменились форматы кадров, сохранился метод доступа CSMA / CD в полудуплексном режиме. На логическом уровне используется кодирование 8 B /10 B . Поскольку скорость передачи увеличилась в 10 раз по сравнению с Fast Ethernet, то было необходимо либо уменьшить диаметр сети до 20 – 25 м , либо увеличить минимальную длину кадра . В технологии Gigabit Ethernet пошли по второму пути, увеличив минимальную длину кадра до 512 байт, вместо 64 байт в технологии Ethernet и Fast Ethernet. Диаметр сети равен 200 м, так же как в Fast Ethernet. Увеличение длины кадра может происходить двумя способами. Первый способ предусматривает заполнение поля данных короткого кадра символами запрещенных кодовых комбинаций, при этом будет непроизводительная загрузка сети. По второму способу разрешается передавать несколько коротких кадров подряд с общей длиной до 8192 байт.

Современные сети Gigabit Ethernet, как правило, строятся на основе коммутаторов и работают в полнодуплексном режиме. В этом случае говорят не о диаметре сети, а о длине сегмента, которая определяется техническими средствами физического уровня, прежде всего, физической средой передачи данных. Gigabit Ethernet предусматривает использование:

одномодового оптоволоконного кабеля; 802.3 z

многомодового оптоволоконного кабеля; 802.3 z

симметричного кабеля UTP категории 5; 802.3 ab

коаксиального кабеля.

При передаче данных по оптоволоконному кабелю в качестве излучателей используются либо светодиоды, работающие на длине волны 830 нм, либо лазеры – на длине волны 1300 нм. В соответствие с этим стандарт 802.3 z определил две спецификации 1000 Base - SX и 1000 Base - LX . Максимальная длина сегмента, реализованного на многомодовом кабеле 62,5/125 спецификации 1000Base-SX, составляет 220 м, а на кабеле 50/125 – не более 500 м. Максимальная длина сегмента, реализованного на одномодовом спецификации 1000Base-LX, составляет 5000 м. Длина сегмента на коаксиальном кабеле не превышает 25 м.

Для использования уже имеющихся симметричных кабелей UTP категории 5 был разработан стандарт 802.3 ab . Поскольку в технологии Gigabit Ethernet данные должны передаваться со скоростью 1000 Мбит/с, а витая пара 5 категории имеет полосу пропускания 100 МГц, то было решено передавать данные параллельно по 4 витым парам и использовать UTP категории 5 или 5е с шириной полосы 125 МГц. Таким образом, по каждой витой паре необходимо передавать данные со скоростью 250 Мбит/с, что в 2 раза превышает возможности UTP категории 5е. Для устранения этого противоречия используется код 4D-PAM5 с пятью уровнями потенциала (-2, -1, 0, +1, +2). По каждой паре проводов одновременно производится передача и прием данных со скоростью 125 Мбит/с в каждую сторону. При этом происходят коллизии, при которых формируются сигналы сложной формы пяти уровней. Разделение входного и выходного потоков производится за счет использования схем гибридной развязкиH (рис.5.4). В качестве таких схем используются сигнальные процессоры . Для выделения принимаемого сигнала приемник вычитает из суммарного (передаваемого и принимаемого) сигнала собственный передаваемый сигнал.

Таким образом, технология Gigabit Ethernet обеспечивает высокоскоростной обмен данными и применяется, главным образом, для передачи данных между подсетями, а также для обмена мультимедийной информацией.

Рис. 5.4. Передача данных по 4 парам UTP категории 5

Стандарт IEEE 802.3 рекомендует, что технология Gigabit Ethernet с передачей данных по волокну должна быть магистральной (backbone). Временные интервалы, формат кадра и передача являются общими для всех версий 1000 Мбит/с. Физический уровень определяют две схемы кодирования сигнала (рис.5.5). Схема 8 B /10 B используется для оптического волокна и медных экранированных кабелей. Для симметричных кабелей UTP используется модуляция амплитуды импульсов (код PAM 5 ). Технология 1000 BASE - X использует логическое кодирование 8 B /10 B и линейное кодирование (NRZ ).

Рис.5.5. Спецификации технологии Gigabit Ethernet

Сигналы NRZ передаются по волокну, используя либо коротковолновые (short - wavelength ), либо длинноволновые (long - wavelength ) источники света. В качестве коротковолновых источников используются светодиоды с длиной волны 850 нм для передачи по многомодовому оптическому волокну (1000BASE-SX). Этот менее дорогостоящий вариант используется для передачи на короткие расстояния. Длинноволновые лазерные источники (1310 нм) используют одномодовое или многомодовое оптическое волокно (1000BASE-LX). Лазерные источники с одномодовым волокном способны передавать информацию на расстояние до 5000 м.

В соединениях точка – точка (point - to - point ) для передачи (Tx ) и приема (Rx ) используются раздельные волокна, поэтому реализуется полнодуплексная связь. Технология Gigabit Ethernet позволяет устанавливать только единственный ретранслятор между двумя станциями. Ниже приведены параметры технологий 1000BASE (табл. 5.2).

Таблица 5.2

Сравнительные характеристики спецификаций Gigabit Ethernet

Сети Gigabit Ethernet строятся на основе коммутаторов, когда расстояние полнодуплексных соединений ограничено только средой, а не временем двойного оборота. При этом, как правило, используются топология «звезда » или «расширенная звезда », а проблемы определяются логической топологией и потоком данных.

Стандарт 1000BASE-T предусматривает использование практически такого же кабеля UTP, как и стандарты 100BASE-T, и 10BASE-T. Кабель UTP технологии 1000BASE-T такой же, как кабель 10BASE-T и 100BASE-TX, за исключением того, что рекомендовано использовать кабель категории 5e. При длине кабеля 100 м аппаратура 1000BASE-T работает на пределе своих возможностей.

Шаблон технологии Ethernet, написан в доке IEEE 802,3. Это единственное описание кадра формата уровня MAC. В сети Ethernet реализован только один тип кадра канального уровня, заголовок которого есть множество заголовков подуровней MAC и LLC что есть некой .

Ethernet DIX/Ethernet II , появился в 1980 году в результате совместной роботы трех фирм Xerox, Intel и Digital которые представил версию 802,3в качестве международного стандарта;
Комитет принял 802,3 и немного переделал его. Так появились 802,3/LLC, 802,3/802,2 или Novell 802,2 ;
Raw 802,3 или Novell 802,3 — созданы для ускорения работы своего стека протоколов в сетях Ethernet;
Ethernet SNAP является итогом комитета 802,2 которые приведен к общему стандарту и стал гибок к будущим возможным добавлением полей;

Сегодня сетевое аппаратное и программное обеспечение умеют работать со всеми форматами кадров, и распознавание кадров работает автоматически что уменьшает и одним из . Форматы кадров показано на рис.1.

Рисунок 1

Кадр 802.3/LLC

Заголовок этого кадра объединяет поля заголовком кадров IEEE 802,3 и 802,2. Стандарт 802,3 состоит из:

Поле преамбулы — называется полем синхронизирующих байтов — 10101010. В манчестерском кодировании этот код модифицируется в физической среде в сигнал с частотой 5 МГц.
Начальный ограничитель кадра — является одним байтом 10101011. Это поле указывает на то, что следующий байт — это первый байт заголовка кадра.
Адрес назначения — это поле может быть длиной 6 или 2 байта. Обычно это поле используют для MAC-адреса в 6 байт.
Адрес источника — это поле которое содержит 6 или 2 байта MAC-адреса узла отправителя. Первый бит всегда является — 0.
Длина — поле которое имеет размер 2 байта, и содержит длину поля данных в кадре.
Поле данных — поле может иметь от 0 до 1500 байт. Но если вдруг данные занимают меньше 46 байт, то используется поле заполнителя , который дополняет поле до 46 байт.
Поле заполнителя — Обеспечивает заполнение поля данных, если там вес меньший 46 байт. Нужен для корректной работы механизму обнаружений коллизий.
Поле контрольной последовательности кадра — в этом поле записывается контрольная сума размером в 4 байта. Используется алгоритм CRC-32/

Этот кадр есть кадр подуровня MAC, в его поле данных влажуется кадр подуровня LLC с удаленными флагами в конце и начала кадра который передается через .

Кадр Raw 802.3/Novell 802,3

Раньше этот кадр был протоколом сетевого уровня в ОС MetWare. Но теперь, когда нужда в идентификации протокола верхнего уровня отпала, то кадр был инкапсулирован в кадр MAC кадра LLC.

Кадр Ethernet DIX/Ethernet II

Этот кадр имеет структуру, которая похожа на структуру Ras 802,3. Но 2-байтовое поле длины здесь имеет назначения поля типа протокола. Указывает тип протокола верхнего уровня, вложившей свой пакет в поле данных этого кадра. Различают эти кадры по длине поля, если значении меньше 1500 то это поле длины, если больше — то типа.

Кадр Ethernet SNAP

Кадр появился в результате устранения разнобоя в кодировках типов протоколов. Протокол используется также в протоколе IP при инкапсуляции следующих сетей: Token Ring, FDDI, 100VC-AnyLan. Но при передаче IP пакетов через Ethernet протокол использует кадры Ethernet DIX.

Протокол IPX

Этот протокол может использовать все четыре типа кадра Ethernet. Он определяет тип по проверки отсутствия или наличия поля LLC. Также за полями DSAP/SSAP. Если значение полей равны 0хАА, то это кадр SNAP иначе это 802,3/LLC.

1000Base-X

Спецификация 1000BASE-X предусматривает использование среды в виде оптических волокон. В основе этого стандарта лежит технология основанная на стандарте ANSI Fibre Channel (ANSI X3T11).

Технология 1000BASE-X допускает использование трех различных сред передачи, отсюда три разновидности: 1000BASE-SX, 1000BASE-LX и 1000BASE-CX.

1000Base-SX

Наиболее часто используемая и самая дешевая технология на основе стандартного многомодового волокна. Максимальное расстояние для 1000BASE-SX составляет 220 метров. Используется длина волны 850 нм, S означает Short Wavelength - короткая волна.

Очевидно, что это значение может достигаться только при полнодуплексной передаче данных, так как время двойного оборота сигнала на двух отрезках по 220 метров равно 4400 bt, что превосходит предел 4095 bt даже без учета повторителя и сетевых адаптеров. Для полудуплексной передачи максимальные значения сегментов оптоволоконного кабеля всегда должны быть меньше 100 метров.

1000Base-LX

Технология 1000BASE-LX обычно используется с одномодовыми волокнами, здесь допустимое расстояние составляет 5 километров. Спецификация 1000Base-LX может работать и на многомодовом кабеле. В этом случае предельное расстояние получается небольшим - 550 метров.

Для спецификации 1000Base-LX в качестве источника излучения всегда применяется полупроводниковый лазер с длиной волны 1300 нм.

1000Base-СX

Технология 1000BASE-CX использует наиболее своеобразную среду из трех. Это основанное на применении решения, в котором используются кабели, выполненные на основе предварительно закрученных (precrimped) экранированных витых пар.

Соединитель - не простой RJ-45, обычно используемый в 10/100/1000Base-T. Вместо него используется DB-9 или HSSDS, завершающие эти две пары проводов. Технология 1000BASE-CX работает на расстояниях до 25 м, что ограничивает ее применение небольшими площадями.

1000Base-T

Спецификация 1000Base-T работает по витой паре категории 5.

Каждая пара кабеля категории 5 имеет гарантированную полосу пропускания до 100 МГц. Для передачи по такому кабелю данных со скоростью 1000 Мбит/с было решено организовать параллельную передачу одновременно по всем 4 парам кабеля.

Это сразу уменьшило скорость передачи данных по каждой паре до 250 Мбит/с.

Для кодирования данных был применен код РАМ5, использующий 5 уровней потенциала: -2, -1, 0, +1, +2. Поэтому за один такт по одной паре передается 2,322 бит информации. Следовательно, тактовую частоту вместо 250 МГц можно снизить до 125 МГц. При этом, если использовать не все коды, а передавать 8 бит за такт (по 4 парам), то выдерживается требуемая скорость передачи в 1000 Мбит/с и еще остается запас неиспользуемых кодов, так как код РАМ5 содержит 5 4 = 625 комбинаций, а если передавать за один такт по всем четырем парам 8 бит данных, то для этого требуется всего 2 8 = 256 комбинаций. Оставшиеся комбинации приемник может использовать для контроля принимаемой информации и выделения правильных комбинаций на фоне шума. Код РАМ5 на тактовой частоте 125 МГц укладывается в полосу 100 МГц кабеля категории 5.

Для распознавания коллизий и организации полнодуплексного режима в спецификации применяется техника, при которой оба передатчика работают навстречу друг другу по каждой из 4-х пар в одном и том же диапазоне частот, так как используют один и тот же потенциальный код РАМ5 (рис. 12). Схема гибридной развязки Н позволяет приемнику и передатчику одного и того же узла использовать одновременно витую пару и для приема и для передачи.

Рисунок 12. Двунаправленная передача по 4 парам UTP cat5 в Gigabit

Для отделения принимаемого сигнала от своего собственного приемник вычитает из результирующего сигнала известный ему свой сигнал. Это не простая операция и для ее выполнения используются специальные цифровые сигнальные процессоры - DSP (Digital Signal Processor).

В сети несколько компьютеров должны иметь совместный доступ к среде передачи. Однако, если два компьютера попытаются одновременно передавать данные, произойдет коллизия и данные будут потеряны.

Все сетевые компьютеры должны использовать один и тот же метод доступа, иначе произойдет сбой сети. Отдельные компьютеры, чьи методы будут доминировать, не дадут остальным осуществить передачу. Методы доступа служат для предотвращения одновременного доступа к кабелю нескольких компьютеров, упорядочивая передачу и прием данных по сети и гарантируя, что в каждый момент времени только один компьютер может работать на передачу.

При множественном доступе с контролем несущей и обнаружением коллизий (сокращенно CSMA/CD) все компьютеры в сети - и клиенты, и серверы - "прослушивают" кабель, стремясь обнаружить передаваемые данные (то есть трафик).

1) Компьютер "понимает", что кабель свободен (то есть трафик отсутствует).

2) Компьютер может начать передачу данных.

3) Пока кабель не освободится (в течение передачи данных), ни один из сетевых компьютеров не может вести передачу.

При попытке одновременного доступа к среде передачи более одного сетевого устройства возникает коллизия. Компьютеры регистрируют возникновение коллизии, освобождают линию передачи на некоторый случайно заданный (в пределах определенных стандартом границ) интервал времени, после чего попытка передачи повторяется. Компьютер, первым захвативший линию передачи, начинает передавать данные.

CSMA/CD известен как состязательный метод, поскольку сетевые компьютеры "состязаются" (конкурируют) между собой за право передавать данные.

Способность обнаруживать коллизии - причина, которая ограничивает область действия самого CSMA/CD. Из-за конечной скорости распространения сигнала в проводах при расстояниях свыше 2500 м (1,5 мили) механизм обнаружения коллизий не эффективен. Если расстояние до передающего компьютера превышает это ограничение, некоторые компьютеры не успевают обнаружить загрузку кабеля и начинают передачу данных, что приводит к коллизии и разрушению пакетов данных.

Примерами протоколов CDSMA/CD являются Ethernet version 2 корпорации DEC и IEEE 802.3.

Спецификация физической среды Ethernet

Для технологии Ethernet разработаны различные варианты физического уровня, отличающиеся не только типом кабеля и электрическими параметрами импульсов, как это сделано в технологии 10 Мб/с Ethernet, но и способом кодирования сигналов, и количеством используемых в кабеле проводников. Поэтому физический уровень Ethernet имеет более сложную структуру, чем классический Ethernet.

Спецификации технологии Ethernet на сегодня включают следующие среды передачи данных.

10Base-2 - коаксиальный кабель диаметром 0.25 дюйма, называется тонким коаксиалом. Имеет волновое сопротивление 50 Ом. Максимальная длина сегмента - 185 метров (без повторителей).
10Base-5 - коаксиальный кабель диаметром 0.5 дюйма, называется "толстым" коаксиалом. Имеет волновое сопротивление 50Ом. Максимальная длина сегмента без повторителя - 500 метров.
10Base-T - кабель на основе не экранированной витой пары (UTP). Образует звездообразную топологию на основе концентраторов. Расстояние между концентратором и конечным узлом не более100 метров.
10Base-F - волоконно-оптический кабель. Топология аналогична топологии стандарта 10Base-Т. Имеется несколько вариантов данной спецификации - FOIRL (расстояние до 1000 м), 10Base-FL (расстояние до 2000 м).

Форматы кадров Ethernet

Как и на производстве, кадры в сети Ethernet решают все. Они служат вместилищем для всех высокоуровневых пакетов, поэтому, чтобы понять друг друга, отправитель и получатель должны использовать один и тот же тип кадров Ethernet. Стандарт технологи Ethernet, определенный в документе IEEE802.3, дает описание единственного формата кадра уровня МАС.Кадры могут быть всего четырех разных форматов, и к тому же не сильно отличающихся друг от друга. Более того, базовых форматов кадров существует всего два (в английской терминологии их называют "raw formats") - Ethernet_II и Ethernet_802.3, причем они отличаются назначением всего одного поля.

Кадр Ethernet DIX(Ethernet II) . Появился в результате работы консорциума трех фирм Digital, Intel и Xerox в 1980 году, который представил на рассмотрение комитету 802.3 свою фирменную версию стандарта Ethernet в качестве проекта международного стандарта.
802.3/LLC, 802.3/802.2 или Novell 802.2 . Принят комитетом 802.3 принял стандарт отличающийся в некоторых деталях от Ethernet DIX.
Кадр Raw 802.3 , или Novell 802.3 - появился в результате усилий компании Novell по ускорению работы своего стека протоколов в сетях Ethernet

Каждый кадр начинается с преамбулы (Preamble) Длиной 7 байт, заполненной шаблоном 0b10101010 (для синхронизации источника и получателя). После преамбулы идет байт начального ограничителя кадра (Start of Frame Delimiter, SFD), содержащий последовательность 0b10101011 и указывающий на начало собственного кадра. Далее идут поля адресов получателя (Destination Address, DA) и источника (Source Address, SA). В Ethernet используют 48-битные адреса МАС-уровня IEEE.

Следующее поле имеет разный смысл и разную длину в зависимости от типа кадра.

В конце кадра идет32-битное поле контрольной суммы (Frame Check Sequence, FCS). Контрольная сумма вычисляется по алгоритму CRC-32. Размер кадра Ethernet от 64 до 1518 байт (без учета преамбулы, но с учетом поля контрольной суммы)

Тип кадра Ethernet DIX

Кадр стандарта Ethernet DIX, называемый также кадром Ethernet II, похож на кадр Raw 802.3 тем, что он также не использует заголовки подуровня LLC, но отличается тем, что на месте поля длины в нем определено поле типа протокола (поле Type). Это поле 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. Для кодирования типа протокола используются значения, превышающие значение максимальной длины поля данных, равное 1500, поэтому кадры Ethernet II и 802.3 легко различимы.

Тип кадра Raw 802.3.

За адресом источника он содержит 16-битное поле длины (L), определяющее число байт, следующее за полем длины (без учета поля контрольной суммы). В этот тип кадра всегда вкладывается пакет протокола IPX. Первые два байта заголовка протокола IPX содержат контрольную сумму датаграммы IPX. Однако, по умолчанию это поле не используется и имеет значение 0xFFFF.

Тип кадра 802.3.LLC

За полем адреса источника идет 16-битное поле длины, определяющее число байт, следующее за этим полем (без учета поля контрольной суммы)За ним следует заголовок LLC. Заголовок кадра 802.3/LLC является результатом объединения полей заголовков кадров, определенных в стандартах 802.3 и 802.2.

Стандарт 802.3 определяет восемь полей заголовка:

Поле преамбулы состоит из семи байтов синхронизирующих данных. Каждый байт содержит одну и ту же последовательность битов - 10101010. При манчестерском кодировании эта комбинация представляется в физической среде периодическим волновым сигналом. Преамбула используется для того, чтобы дать время и возможность схемам приемопередатчиков (transceiver) прийти в устойчивый синхронизм с принимаемыми тактовыми сигналами.

Начальный ограничитель кадра состоит из одного байта с набором битов 10101011. Появление этой комбинации является указанием на предстоящий прием кадра.

Адрес получателя - может быть длиной 2 или 6 байтов (MAC-адрес получателя). Первый бит адреса получателя - это признак того, является адрес индивидуальным или групповым: если 0, то адрес указывает на определенную станцию, если 1, то это групповой адрес нескольких (возможно всех) станций сети. При широковещательной адресации все биты поля адреса устанавливаются в 1. Общепринятым является использование 6-байтовых адресов.

Адрес отправителя - 2-х или 6-ти байтовое поле, содержащее адрес станции отправителя. Первый бит - всегда имеет значение 0.

Двухбайтовое поле длины определяет длину поля данных в кадре.

Поле данных может содержать от 0 до 1500 байт. Но если длина поля меньше 46 байт, то используется следующее поле - поле заполнения, чтобы дополнить кадр до минимально допустимой длины.

Поле заполнения состоит из такого количества байтов заполнителей, которое обеспечивает определенную минимальную длину поля данных (46 байт). Это обеспечивает корректную работу механизма обнаружения коллизий. Если длина поля данных достаточна, то поле заполнения в кадре не появляется.

Поле контрольной суммы - 4 байта, содержащие значение, которое вычисляется по определенному алгоритму (полиному CRC-32). После получения кадра рабочая станция выполняет собственное вычисление контрольной суммы для этого кадра, сравнивает полученное значение со значением поля контрольной суммы и, таким образом, определяет, не искажен ли полученный кадр.

Кадр 802.3 является кадром MAС-подуровня, в соответствии со стандартом 802.2 в его поле данных вкладывается кадр подуровня LLC с удаленными флагами начала и конца кадра.

Результирующий кадр 802.3/LLC изображен вниз. Так как кадр LLC имеет заголовок длиной 3 байта, то максимальный размер поля данных уменьшается до 1497 байт.

Тип кадра Ethernet SNAP

Кадр Ethernet SNAP (SNAP - SubNetwork Access Protocol, протокол доступа к подсетям) является расширением кадра 802.3/ LLC за счет введения дополнительного заголовка протокола SNAP. Заголовок состоит из 3-байтового поля идентификатора организации (OUI) и 2-байтового поля типа (Type, Ethertype). Тип идентифицирует протокол верхнего уровня, а поле OUI определяет идентификатор организации, контролирующей назначение кодов типа протокола. Коды протоколов для стандартов IEEE 802 контролирует IEEE, имеющая код OUI равный 0х000000. Для этого кода OUI поле типа для Ethernet SNAP совпадает со значением типа Ethernet DIX.

Сводная таблица по использованию Разных типов кадров протоколами высшего уровня.

Тип кадра	Ethernet II	Ethernet Raw 802.3	Ethernet 802.3/ LLC	Ethernet SNAP
Сетевые протоколы	IPX, IP, AppleTalk Phase I			IPX, IP, AppleTalk Phase II

Fast Ethernet

Отличие технологии Fast Ethernet от Ethernet

Все отличия технологии Ethernet и Fast Ethernet сосредоточенны на физическом уровне. Целью технологии Fast Ethernet является получение значительно, на порядок большей, скорости по сравнению с 10 Base T Ethernet - IEEE 802.3, сохраняя, в тоже время, прежние метод доступа, формат фрейма и систему записи.Уровни МАС и LLC в Fast Ethernet остались абсолютно теми же.

Организация физического уровня технологии Fast Ethernet является более сложной, поскольку в ней используются три варианта кабельных систем:

Волоконно-оптический многомодовый кабель(два волокна)
Витая пара категории 5 (две пары)
Витая пара категории 3 (четыре пары)

Коаксиальный кабель в Fast Ethernet не используется. Сети Fast Ethernet на разделяемой среде подобно сетям 10Base-T/10Base-F имеет иерархическую древовидную структуру, построенную на концентраторах. Основным отличием конфигурации сетей Fast Ethernet является сокращение диаметра до 200 метров, что объясняется сокращением времени передачи кадра минимальной длины в 10 раз по сравнению с 10-мегобайтной сетью Ethernet.

Но при использовании коммутаторов протокол Fast Ethernet может работать в дуплексном режиме, в котором нет ограничения на общую длину сети, а только на отдельные физические сегменты.

Спецификация физической среды Ethernet

100BASE-T - Общий термин для обозначения одного из трёх стандартов 100 Мбит/с Ethernet, использующий в качестве среды передачи данных витую пару. Длина сегмента до 200-250 метров. Включает в себя 100BASE-TX, 100BASE-T4 и 100BASE-T2.
100BASE-TX , IEEE 802.3u - Развитие технологии 10BASE-T, используется топология звезда, задействован кабель витая пара категории-5, в котором фактически используются 2 пары проводников, максимальная скорость передачи данных 100 Мбит/с.
100BASE-T4 - 100 MБит/с Ethernet по кабелю категории-3. Задействованы все 4 пары. Сейчас практически не используется. Передача данных идёт в полудуплексном режиме.
100BASE-T2 - Не используется. 100 Mбит/с Ethernet через кабель категории-3. Используется только 2 пары. Поддерживается полнодуплексный режим передачи, когда сигналы распространяются в противоположных направления по каждой паре. Скорость передачи в одном направлении - 50 Mбит/с.
100BASE-FX - 100 Мбит/с Ethernet с помощью оптоволоконного кабеля. Максимальная длина сегмента 400 метров в полудуплексном режиме (для гарантированного обнаружения коллизий) или 2 километра в полнодуплексном режиме по многомодовому оптическому волокну и до 32 километров по одномодовому.

Gigabit Ethernet

1000BASE-T, IEEE 802.3ab - Стандарт Ethernet 1 Гбит/с. Используется витая пара категории 5e или категории 6. В передаче данных участвуют все 4 пары. Скорость передачи данных - 250 Мбит/с по одной паре.
1000BASE-TX , - Стандарт Ethernet 1 Гбит/с, использующий только витую пару категории 6. Практически не используется .
1000Base-X - общий термин для обозначения технологии Гигабит Ethernet, использующей в качестве среды передачи данных оптоволоконный кабель, включает в себя 1000BASE-SX, 1000BASE-LX и 1000BASE-CX.
1000BASE-SX, IEEE 802.3z - 1 Гбит/с Ethernet технология, использует многомодовое волокно дальность прохождения сигнала без повторителя до 550 метров.
1000BASE-LX, IEEE 802.3z - 1 Гбит/с Ethernet технология, использует многомодовое волокно дальность прохождения сигнала без повторителя до 550 метров. Оптимизирована для дальних расстояний, при использовании одномодового волокна (до 10 километров).
1000BASE-CX - Технология Гигабит Ethernet для коротких расстояний (до 25 метров), используется специальный медный кабель (Экранированная витая пара (STP)) с волновым сопротивлением 150 Ом. Заменён стандартом 1000BASE-T, и сейчас не используется .
1000BASE-LH (Long Haul) - 1 Гбит/с Ethernet технология, использует одномодовый оптический кабель, дальность прохождения сигнала без повторителя до 100 километров.

Проблемы Gigabit Ethernet

Обеспечение приемлемого диаметра сети для работы на разделяемой среде . В связи с ограничениями, накладываемыми методом CSMA/CD на длину кабеля, версия Gigabit Ethernet для разделяемой среды допускала бы длину сегмента всего в 25 метров. Необходимо было решить эту проблему.
Достижение битовой скорости 1000Мбит/с на оптическом кабеле . Технология Fibre Channel, физический уровень которой был взят за основу для оптоволоконной версии Gigabit Ethernet, обеспечивает скорость передачи данных всего 800Мбит/с.
Использование в качестве кабеля витой пары .

Для решения этих задач пришлось внести изменения не только в физический уровень, но и в уровень МАС.

Средства обеспечения диаметра сети в 200 м на разделяемой среде

Для расширения максимального диаметра сети Gigabit Ethernet в полудуплексном режиме до 200 м разработчики технологии предприняли достаточно естественные меры, основывающиеся на известном соотношения времени передачи кадра минимальной длины и временем двойного оборота.

Минимальный размер кадра был увеличен (без учета преамбулы) с 64 до 512 байт или до 4096 bt. Соответственно, время двойного оборота теперь также можно было увеличить до 4095 bt, что делает допустимым диаметр сети около 200 м при использовании одного повторителя. При двойной задержке сигнала в 10 bt/m оптоволоконные кабели длиной 100 м вносят вклад во время двойного оборота по 1000 bt, и если повторитель и сетевые адаптеры будут вносить такие же задержки, как в технологии Fast Ethernet (данные для которых приводились в предыдущем разделе), то задержка повторителя в 1000 bt и пары сетевых адаптеров в 1000 bt дадут в сумме время двойного оборота 4000 bt, что удовлетворяет условию распознавания коллизий. Для увеличения длины кадра до требуемой в новой технологии величины сетевой адаптер должен дополнить поле данных до длины 448 байт так называемый расширением (extention), представляющим собой поле, заполненное запрещенными символами кода 8В/10В, которые невозможно принять за коды данных.

Для сокращения накладных расходов при использовании слишком длинных кадров для передачи коротких квитанций разработчики стандарта разрешили конечным узлам передавать несколько кадров подряд, без передачи среды другим станциям. Такой режим получил название Burst Mode - монопольный пакетный режим. Станция может передать подряд несколько кадров с общей длиной не более 65 536 бит или 8192 байт. Если станции нужно передать несколько небольших кадров, то она может не дополнять их до размера в 512 байт, а передавать подряд до исчерпания предела в 8192 байт (в этот предел входят все байты кадра, в том числе преамбула, заголовок, данные и контрольная сумма). Предел 8192 байт называется BurstLength. Если станция начала передавать кадр и предел BurstLength был достигнут в середине кадра, то кадр разрешается передать до конца.

Увеличение "совмещенного" кадра до 8192 байт несколько задерживает доступ к разделяемой среде других станций, но при скорости 1000 Мбит/с эта задержка не столь существенна

Литература

В.Г.Олифер, Н.А.Олифер Компьютерные сети

Выделим три главных элемента стандарта: формат кадра, систему сигнализации между рабочими станциями при осуществлении передачи данных по протоколу CSMA/CD и набор физических сред: коаксиальный кабель, витая пара, волоконно-оптический кабель.

Формат кадра Ethernet

На рис. 7-2 показан формат кадра Ethernet. Поля имеют следующие назначения:
— Преамбула: 7 байт, каждый из которых представляет чередование единиц и нулей 10101010. Преамбула позволяет установить битовую синхронизацию на приемной стороне.
— Ограничитель начала кадра (SFD, start frame delimiter): 1 байт, последовательность 10101011. указывает, что далее последуют, информационные поля кадра. Этот байт можно относить к преамбуле.
— Адрес назначения (DA, destination address): 6 байт, указывает МАС-адрес станции (МАС-адреса станций), для которой (которых) предназначен этот кадр. Это может быть единственный физический адрес (unicast), групповой адрес (multicast) или широковещательный адрес (broadcast).
— Адрес отправителя (SA, source address): б байт, указывает МАС-адрес станции, которая посылает кадр.
— Поле типа или длины кадра (Т or L, type or length): 2 байта. Существуют два базовых формата кадра Ethernet (в английской терминологии raw formats -сырые форматы) -EthernetII и IEEE 802.3 (рис. 7.2), причем различное назначение у них имеет именно рассматриваемое поле. Для кадра EthernetII в этом поле содержится информация о типе кадра. Ниже приведены значения в шестнадцатеричной системе этого поля для некоторых распространенных сетевых протоколов: 0х0800 для IP, 0х0806 для ARP, 0х809В для AppleTalk, 0х0600 для XNS, и 0х8137 для IPX/SPX. С указанием в этом поле конкретного значения (одного из перечисленных) кадр приобретает реальный формат, и в таком формате кадр уже может распространяться по сети.
— Для кадра IEEE 802,3 в этом поле содержится выраженный в байтах размер следующего поля — поля данных (LLC Data). Если эта цифра приводит к общей длине кадра меньше 64 байт, то за полем LLC Data добавляется поле Pad. Для протокола более высокого уровня не возникает путаницы с определением типа кадра, так как для кадра IEEE 802.3 значение этого поля не может быть больше 1500 (0x05DC). Поэтому, в одной сети могут свободно сосуществовать оба формата кадров, более того, один сетевой адаптер может взаимодействовать с обоими типами посредством стека протоколов.
— Данные (LLC Data): поле данных, которое обрабатывается подуровнем LLC. Сам по себе кадр IEEE 802.3 еще не окончательный. В зависимости от значений первых нескольких байт этого поля, могут быть три окончательных формата этого кадра IEEE 802.3:
— Ethernet_802.3 (не стандартный, в настоящее время устаревающий формат, используемый Novell) — первые два байта LLC Data равны 0xFFFF;
— EthernetSNAP (стандартный IEEE 802.2 SNAP формат, которому отдается наибольшее предпочтение в современных сетях, особенно для протокола TCP/IP) — первый байт LLC Data равен 0хАА;
— Ethernet_802.2 (стандартный IEEE 802.2 формат, используется фирмой Novell в NetWare 4.0) — первый байт LLC Data не равен ни 0xFF (11111111), ни 0хАА (10101010).

Дополнительное поле (pad — наполнитель) — заполняется только в том случае, когда поле данных невелико, с целью удлинения длины кадра до минимального размера 64 байта — преамбула не учитывается. Ограничение снизу на минимальную длину кадра необходимо для правильного разрешения коллизий.

Контрольная последовательность кадра (FCS, frame check sequence): 4-байтовое поле, в котором указывается контрольная сумма, вычисленная с использованием циклического избыточного кода по полям кадра, за исключением преамбул SDF и FCS.

Рис. 7.2. Два базовых MAC формата кадра Ethernet

Основные варианты алгоритмов случайного доступа к среде

Протокол CSMA/CD определяет характер взаимодействия рабочих станций в сети с единой общей для всех устройств средой передачи данных. Все станции имеют равноправные условия по передаче данных. Нет определенной последовательности, в соответствии с которой станции могут получать доступ к среде для осуществления передачи. Именно в этом смысле доступ к среде осуществляется случайным образом. Реализация алгоритмов случайного доступа представляется значительно более простой задачей, чем реализация алгоритмов детерминированного доступа. Поскольку в последнем случае требуется или специальный протокол, контролирующий работу всех устройств сети (например, протокол обращения маркера, свойственный сетям Token Ring и FDDI), или специальное выделенное устройство-мастер концентратор, который в определенной последовательности предоставлял бы всем остальным станциям возможность передавать (сети Arcnet, 100VG AnyLAN).

Однако сеть со случайным доступом имеет один, пожалуй главный, недостаток — это не совсем устойчивая работа сети при большой загруженности, когда может проходить достаточно большое время, прежде чем данной станции удается передать данные. Виной тому-коллизии, которые возникают между станциями, начавшими передачу одновременно или почти одновременно. При возникновении коллизии передаваемые данные не доходят до получателей, а передающим станциям приходится повторно возобновлять передачу.

Дадим определение: множество всех станций сети, одновременная передача любой пары из которых приводит к коллизии, называется коллизионным доменом (collision domain). Из-за коллизии (конфликта) могут возникать непредсказуемые задержки при распространении кадров по сети, особенно при большой загруженности сети (много станций пытаются одновременно передавать внутри коллизионного домена, > 20-25), и при большом диаметре коллизионного домена (> 2 км). Поэтому при построении сетей желательно избегать таких экстремальных режимов работы.

Проблема построения протокола, способного наиболее рационально разрешать коллизии, и оптимизирующего работу сети при больших загрузках, была одной из ключевых на этапе формирования стандарта Ethernet IEEE 802.3. Первоначально рассматривались три основных подхода в качестве кандидатов для реализации стандарта случайного доступа к среде (рис. 7.3): непостоянный, 1-постоянный и р-постоянный.

Рис. 7.3. Алгоритмы множественного случайного доступа (CSMA) и выдержка времени в конфликтной ситуации (collision backoff)

Непостоянный (nonpersistent) алгоритм. При этом алгоритме станция, желающая передавать, руководствуется следующими правилами.

1. Прослушивает среду, и, если среда свободна (т.е. если нет другой передачи или нет сигнала коллизии), передает, в противном случае — среда занята -переходит к шагу 2.
2. Если среда занята, ждет случайное (в соответствии с определенной кривой распределения вероятностей) время и возвращается к шагу 1.

Использование случайного значения ожидания при занятой среде уменьшает вероятность образования коллизий. Действительно, предположим в противном случае, что две станции практически одновременно собрались передавать, в то время, как третья уже осуществляет передачу. Если первые две не имели бы случайного времени ожидания перед началом передачи (в случае, если среда оказалась занятой), а только прослушивали среду и ждали, когда она освободится, то после прекращения передачи третьей станцией первые две начали бы передавать одновременно, что неизбежно приводило бы к коллизиям. Таким образом, случайное ожидание устраняет возможность образования таких коллизий. Однако неудобство этого метода проявляется в неэффективном использовании полосы пропускания канала. Поскольку может случиться, что к тому моменту, когда среда освободится, станция, желающая передавать, еще будет продолжать ожидать некоторое случайное время, прежде чем решится прослушивать среду, поскольку перед этим уже прослушивала среду, которая оказалась занятой. В итоге канал будет простаивать какое-то время, даже если только одна станция ожидает передачи.

1-постоянный (1-persistent) алгоритм. Для сокращения времени, когда среда не занята, мог бы использоваться 1-постоянный алгоритм. При этом алгоритме станция, желающая передавать, руководствуется следующими правилами.

1. Прослушивает среду, и, если среда не занята, передает, в противном случае переходит к шагу 2;
2. Если среда занята, продолжает прослушивать среду до тех пор, пока среда не освободится, и, как только среда освобождается, сразу же начинает передавать.

Сравнивая непостоянный и 1-постоянный алгоритмы, можно сказать, что в 1-постоянном алгоритме станция, желающая передавать, ведет себя более «эгоистично». Поэтому, если две или более станций ожидают передачи (ждут, пока не освободится среда), коллизия, можно сказать, будет гарантирована. После коллизии станции начинают решать, что им делать дальше.

Р-постоянный (p-persistent) алгоритм. Правила этого алгоритма следующие:
1. Если среда свободна, станция с вероятностью р сразу же начинает передачу или с вероятностью (1-р) ожидает в течение интервала времени Т. Интервал Т обычно берется равным максимальному времени распространения сигнала из конца в конец сети;
2. Если среда занята, станция продолжает прослушивание до тех пор, пока среда не освободится, затем переходит к шагу 1;
3. Если передача задержана на один интервал Т, станция возвращается к шагу 1.

И здесь возникает вопрос выбора наиболее эффективного значения параметра р. Главная проблема, как избежать нестабильности при высоких загрузках. Рассмотрим ситуацию, при которой n станций намерены передать кадры, в то время, как уже идет передача. По окончанию передачи ожидаемое количество станций, которые попытаются передавать, будет равно произведению количества желающих передавать станций на вероятность передачи, то есть пр. Если np > 1, то в среднем несколько станций будут пытаться передать сразу, что вызовет коллизию. Более того, как только коллизия будет обнаружена, все станции вновь перейдут к шагу 1, что вызовет повторную коллизию. В худшем случае, новые станции, желающие передавать, могут добавиться к n, что еще больше усугубит ситуацию, приведя, в конечном итоге, к непрерывной коллизии и нулевой пропускной способности. Во избежании такой катастрофы пр должно быть меньше единицы. Если же сеть подвержена возникновению состояний, когда много станций одновременно желают передавать, то необходимо уменьшать р. С другой стороны, когда р становиться слишком малым, даже отдельная станция может прождать в среднем (1 — р)/р интервалов Т, прежде чем осуществит передачу. Так если р=0,1, то средний простой, предшествующий передаче, составит 9Т.