Przegląd technologii ethernetowych

Nie można sobie wyobrazić sieci lokalnych bez Ethernetu. Choć ma już 30 lat, jego rozwój jest niepowstrzymany. Objaśnimy sposób działania i przyszłość związaną z Ethernetem 10-gigabitowym.

Nie można sobie wyobrazić sieci lokalnych bez Ethernetu. Choć ma już 30 lat, jego rozwój jest niepowstrzymany. Objaśnimy sposób działania i przyszłość związaną z Ethernetem 10-gigabitowym.

Pod koniec roku 1972 dr Robert Metcalfe wraz z kilkoma kolegami z Xerox Palo Alto Research Center (PARC - http://www.parc.xerox.com ) zainstalował sieć, żeby połączyć kilka maszyn liczących Xerox-Alto - rewolucyjnych na tamte czasy prekursorów komputerów osobistych. W tej sieci, nazwanej początkowo Alto Aloha, zastosowano już protokół CSMA/CD, przejęty przez późniejszy Ethernet.

Częstotliwość przenoszenia wynosiła początkowo tylko 2,94 MHz i była zgodna z częstotliwością taktowania maszyn Alto. Dopiero w roku 1976 Metcalfe nadał sieci nazwę Ethernet. Od tego czasu Ethernet cieszy się wielką popularnością wśród administratorów sieci.

Szczególnie ceni się łatwość instalacji i konserwacji oraz niskie koszty.

Mimo wszystkich zmian, jakich Ethernet doznał od czasu naszkicowania pierwszego schematu blokowego, wciąż opiera się na tych samych zasadach.

CSMA/CD jako podstawa Ethernetu

Protokół Ethernet opiera się na komponentach multiple access, carrier sense i collision detection:

Multiple Access (MA). Wszystkie stacje ethernetowe odwołują się niezależnie od siebie do wspólnego nośnika transmisji.

Carrier Sense (CS). Jeżeli stacja ethernetowa chce wysłać dane, sprawdza najpierw, czy odbywa się inna transmisja. Jeżeli nośnik jest zajęty, stacja czeka do zakończenia transmisji oraz dodatkowo odczekuje jeszcze 9,6 µs. Jeżeli nośnik jest wolny, natychmiast rozpoczyna transmisję.

Collision Detection (CD). Podczas transmisji stacja nadająca kontroluje nośnik, żeby wychwycić ewentualne kolizje. Jeżeli w trakcie nadawania nie wykryje żadnego zakłócenia, które mogłoby być wynikiem kolizji z innym pakietem, uznaje, że pakiet został pomyślnie dostarczony.

Jeżeli stacja nadająca wykryje kolizję:

  • zrywa transmisję i wysyła sygnał błędu (101010... = AAAAAAAA),
  • czeka 9,6 µs oraz przypadkowy okres czasu, zależny od liczby nieudanych prób wysłania tego pakietu (binary backoff) i podejmuje na nowo próbę wysłania pakietu.
Taki tryb jest skuteczny i niezawodny tylko wtedy, gdy stacja nadająca jest w stanie wykryć kolizję przed zakończeniem transmisji pakietu. Należy pamiętać, że propagacja sygnału w sieci następuje ze skończoną szybkością. Warunkiem skutecznego funkcjonowania protokołu CSMA/CD jest to, aby podwojony czas przebiegu sygnału między dwiema stacjami był krótszy od czasu przesyłania najmniejszego dopuszczalnego pakietu.

Przy założeniu, że minimalna długość pakietu ethernetowego wynosi 64 bajty (= 512 bitów), maksymalny czas przebiegu sygnału (round trip delay - RTD) nie może przekroczyć 512 "czasów bitowych". Jeśli szybkość transmisji wynosi 10 Mb/s, przesłanie jednego bitu trwa 100 ns, tak więc RTD musi być krótszy niż 51,2 µs.

Dopuszczalne opóźnienia

Zgodnie ze specyfikacją Ethernetu, różne aktywne i bierne komponenty systemu mogą wnosić opóźnienia. Tabela powyżej zawiera omawiane przykłady.

Późne kolizje

Kolizja - zwrotny meldunek o kolizji musi nastąpić w ciągu 512 czasów bitowych, w przeciwnym razie nie zostanie ona zauważona.

Kolizja - zwrotny meldunek o kolizji musi nastąpić w ciągu 512 czasów bitowych, w przeciwnym razie nie zostanie ona zauważona.

Aby określić, czy połączenie między dwiema stacjami spełnia warunki RTD, należy dodać czasy bitowe wszystkich komponentów transmisji. Suma nie może być większa od minimalnej długości pakietu w bitach (512). Jeżeli warunek ten nie jest spełniony i kolizje występują później, niż po 512 czasach bitowych, mówimy o tzw. późnych kolizjach (late collisions). Nie są one rozpoznawane przez mechanizmy kontrolne Ethernetu, które uznają, że pakiet został przesłany w całości przed wystąpieniem błędu w nośniku. Mimo to sieć działa, ponieważ protokoły wyższych warstw, na przykład TCP, zwykle żądają ponownego przesłania tych pakietów. Jeżeli w czasie następnej próby wysłania nie nastąpi kolizja ze zbyt oddaloną stacją, pakiet może być mimo wszystko skutecznie przesłany. Niemniej pogarsza to wydajność sieci, ponieważ pewna część szerokości pasma jest zużywana na retransmisję pakietów danych.

Format pakietu

10 Mb/s, 100 Mb/s, 1000 Mb/s

10 Mb/s, 100 Mb/s, 1000 Mb/s

Ethernet to sieć z pakietowym przesyłem danych. Oznacza to, że dane do przesłania dzielone są na mniejsze jednostki, nazywane pakietami (packets) lub ramkami (frames). Każdy pakiet sam sobie wyszukuje drogę przez sieć. Poszczególne pakiety są ponownie łączone po stronie odbiorczej.

Ethernet w pierwotnej postaci jest magistralą logiczną, nawet wtedy, gdy implementacja fizyczna nie jest magistralą. Oznacza to, że stacja wysyłająca dane "słyszana jest" przez wszystkich uczestników danej sieci. Kontroler ethernetowy stacji odbiorczej rozstrzyga na podstawie adresu docelowego, czy dana transmisja jest przeznaczona dla niego, czy nie. Wszystkie pozostałe wiadomości są ignorowane.

Adresy MAC

W celu uzyskania pewności, że w sieci nie wystąpią dwa identyczne adresy, adresy ethernetowe (nazywane również adresami MAC) kodowane są sprzętowo przez producentów tegoż sprzętu. Przydział adresów odbywa się według następującego klucza:

Większość kontrolerów ethernetowych może również odbierać pakiety i przesyłać je do wyższych warstw, które nie są dla nich przeznaczone Ten tryb pracy, zwany promiscuous, jest związany z dużym ryzykiem, ponieważ umożliwia pracę snifferów, czyli programów, które mogą obserwować ruch w całej sieci.

Od kabla koncentrycznego do skrętki w układzie gwiaździstym

Pierwotna specyfikacja Ethernetu przewidywała zastosowanie jako nośnika kabla koncentrycznego. W zależności od rodzaju, rozróżnia się gruby kabel (thick coax, 10Base-5) i cienki kabel (thin coax, 10Base-2). Ten ostatni bywa również nazywany cheapernet ze względu na niższe koszty.

Korzystając z kabla koncentrycznego, należy pamiętać, że:

  • Jest to implementacja magistrali fizycznej, do której przyłączono stacje. Do przyłączenia służą złączki T.
  • Aby rozpoznać kolizję, stacja nadawcza musi sprawdzić stan sygnału na kablu. Jeżeli panujące tam poziomy sygnału nie zgadzają się z wysłanymi sygnałami, uznaje się, że nastąpiła kolizja.
  • W związku z tym równie istotne jest zastosowanie właściwych końcówek kabla, pozwalających uniknąć odbić, które w pewnych okolicznościach mogłyby zostać uznane za kolizje.
Kable koncentryczne mają jednak sporo wad, np. dodanie stacji w ekspoatowanej już sieci wymaga przecięcia kabla, co oznacza, że sieć przez jakiś czas jest niedostępna.

Dlatego też w roku 1990 standard 10BaseT rozszerzono o możliwość stosowania skrętki.


Zobacz również