EtherNet стандарт IEEE 802.3

Это самый распространенный на сегодняшний день стандарт технологии сети.

Особенности:

• работает с коаксиальным кабелем, витой парой, оптическими кабелями;
• топология – шина, звезда;
• метод доступа – CSMA/CD.

Архитектура сетевой технологии Ethernet фактически объединяет целый набор стандартов, имеющих как общие черты, так и отличия.

Технология Ethernet была разработана вместе со многими первыми проектами корпорации Xerox PARC. Общепринято считать, что Ethernet был изобретён 22 мая 1973 года, когда Роберт Меткалф составил докладную записку для главы PARC о потенциале технологии Ethernet. Но законное право на технологию Меткалф получил через несколько лет. В 1976 году он и его ассистент Дэвид Боггс издали брошюру под названием «Ethernet: Distributed Packet Switching For Local Computer Networks». Меткалф ушёл из Xerox в 1979 году и основал компанию 3Com для продвижения компьютеров и локальных вычислительных сетей. Ему удалось убедить DEC, Intel и Xerox работать совместно и разработать стандарт Ethernet (DIX). Впервые этот стандарт был опубликован 30 сентября 1980 года .

Дальнейшее развитие технологии EtherNet:

• 1982-1993 разработка 10Мбит/с EtherNet;
• 1995-1998 разработка Fast EtherNet;
• 1998-2002 разработка GigaBit EtherNet;
• 2003-2007 разработка 10GigaBit EtherNet;
• 2007-2010 разработка 40 и 100GigaBit EtherNet;
• 2010 по сей день разработка Terabit Ethernet.

На уровне MAC, который обеспечивает доступ к среде и передаче кадра, для идентификации сетевых интерфейсов узлов сети используются регламентированные стандартом уникальные 6-байтовые адреса, называемые MAC-адресами. Обычно MAC-адрес записывается в виде шести пар шестнадцатеричных цирф, разделенных тире или двоеточиями, например 00-29-5E-3C-5B-88. Каждый сетевой адаптер имеет MAC-адрес.

Структура MAC-адреса Ethernet:

• первый бит MAC-адреса получателя называется битом I/G (individual/group или широковещательным). В адресе источника он называется индикатором маршрута от источника (Source Route Indicator);
• второй бит определяет способ назначения адреса;
• три старших байта адреса называются защитным адресом (Burned In Address, BIA) или уникальным идентификатором организации (Organizationally UniqueIdentifier, OUI);
• за уникальность младших трех байт адреса отвечает сам производитель.

Некоторые сетевые программы, в частности wireshark, могут сразу отображать вместо кода производителя - название фирмы производителя данной сетевой карты.

Формат кадра технологии EtherNet

В сетях Ethernet существует 4 типа фреймов (кадров):

• кадр 802.3/LLC (или кадр Novell802.2),
• кадр Raw 802.3 (или кадр Novell 802.3),
• кадр Ethernet DIX (или кадр Ethernet II),
• кадр Ethernet SNAP.

На практике в оборудовании EtherNet используется только один формат кадра, а именно кадр EtherNet DIX, который иногда называют кадром по номеру последнего стандарта DIX.

• Первые два поля заголовка отведены под адреса:
• DA (Destination Address) – MAC-адрес узла назначения;
• SA (Source Address) – MAC-адрес узла отправителя. Для доставки кадра достаточно одного адреса – адреса назначения, адрес источника помещается в кадр для того, чтобы узел, получивший кадр, знал, от кого пришел кадр и кому нужно на него ответить.
• Поле T (Type) содержит условный код протокола верхнего уровня, данные которого находятся в поле данных кадра, например шестнадцатеричное значение 08-00 соответствует проколу IP. Это поле требуется для поддержки интерфейсных функций мультиплексирования и демультиплексирования кадров при взаимодействии с протоколами верхних уровней.
• Поле данных. Если длина пользовательских данных меньше 46 байт, то это поле дополняется до минимального размера байтами заполнения.
• Поле контрольной последовательности кадра (Frame Check Sequence, FCS) состоит из 4 байт контрольной суммы. Это значение вычисляется по алгоритму CRC-32.

Кадр EtherNet DIX (II) не отражает разделения канального уровня EtherNet на уровень MAC и уровень LLC: его поля поддерживают функции обоих уровней, например интерфейсные функции поля T относятся у функциям уровня LLC, в то время как все остальные поля поддерживают функции уровня MAC.

Рассмотрим формат кадра EtherNet II на примере перехваченного пакета с помощью сетевого анализатора Wireshark

Обратите внимание, что так как MAC адрес состоит из кода производителя и номера интерфейса, то сетевой анализатор сразу преобразует код производителя в название фирмы-изготовителя.

Таким образом в технологии EtherNet в качестве адреса назначения и адреса получателя выступают MAC адреса.

Стандарты технологии Ethernet

Физические спецификации технологии Ethernet включают следующие среды передачи данных.

• l0Base-5 - коаксиальный кабель диаметром 0,5 дюйма (1дм=2,54см), называемый «толстым» коаксиальным кабелем, с волновым сопротивлением 50Ом.
• l0Base-2 - коаксиальный кабель диаметром 0,25 дюйма, называемый «тонким» коаксиальным кабелем, с волновым сопротивлением 50Ом.
• l0Base-T - кабель на основе неэкранированной витой пары (Unshielded Twisted Pair, UTP), категории 3,4,5.
• l0Base-F - волоконно-оптический кабель.

Число 10 обозначает номинальную битовую скорость передачи данных стандарта, то есть 10Мбит/с а слово «Base» - метод передачи на одной базовой частоте. Последний символ обозначает тип кабеля.

Кабель используется как моноканал для всех станций, максимальная длина сегмента 500м. Станция подключаться к кабелю через приемопередатчик - трансивер. Трансивер соединяется с сетевым адаптером разъема DB-15 интерфейсным кабелем AUI. Требуется наличие терминаторов на каждом конце, для поглощения распространяющихся по кабелю сигналов.

Правила «5-4-3» для коаксиальных сетей:

Стандарт сетей на коаксиальном кабеле разрешает использование в сети не более 4 повторителей и, соответственно, не более 5 сегментов кабеля. При максимальной длине сегмента кабеля в 500 м это дает максимальную длину сети в 500*5=2500 м. Только 3 сегмента из 5 могут быть нагруженными, то есть такими, к которым подключаются конечные узлы. Между нагруженными сегментами должны быть ненагруженные сегменты.

l0Base-2

Кабель используется как моноканал для всех станций, максимальная длина сегмента 185 м. Для подключения кабеля к сетевой карте нужен T-коннектор, а на кабеле должен быть BNC-коннектор.

Также используется правило 5-4-3.

l0Base-T

Образует звездообразную топологию на основе концентратора, концентратор осуществляет функцию повторителя и образует единый моноканал, максимальная длина сегмента 100м. Конечные узлы соединяются с помощью двух витых пар. Одна пара для передачи данных от узла к концентратору - Tx, а другая для передачи данных от концентратора к узлу – Rx.
Правила «4-х хабов» для сетей на основе витой пары:
В стандарте сетей на витой паре определено максимально число концентраторов между любыми двумя станциями сети, а именно 4. Это правило носит название «правила 4-х хабов». Очевидно, что если между любыми двумя узлами сети не должно быть больше 4-х повторителей, то максимальный диаметр сети на основе витой пары составляет 5*100 = 500 м (максимальная длина сегмента 100м).

10Base-F

Функционально сеть Ethernet на оптическом кабеле состоит из тех же элементов, что и сеть стандарта 10Base-T

Стандарт FOIRL (Fiber Optic Inter-Repeater Link) первый стандарт комитета 802.3 для использования оптоволокна в сетях Ethernet. Мах длина сегмента 1000м, мах число хабов 4, при общей длине сети не более 2500 м.

Стандарт 10Base-FL незначительное улучшение стандарта FOIRL. Мах длина сегмента 2000 м. Максимальное число хабов 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. Мах число хабов 5, мах длина одного сегмента 2000 м и максимальной длине сети 2740 м.

Таблица. Параметры спецификаций физического уровня для стандарта Ethernet

При рассмотрении правила «5-4-3» или «4-х хабов», в случае появления на пути распространения по кабелям воображаемого сигнала устройства типа «свич», расчет топологических ограничений начинается с нуля.

Пропускная способность сети Ethernet

Пропускная способность оценивается через количество кадров либо количество байт данных, передаваемых по сети за единицу времени. Если в сети не происходят коллизии, максимальная скорость передачи кадров минимального размера(64 байта) составляет 14881 кадров в секунду. При этом полезная пропускная способность для кадров Ethernet II – 5.48 Мбит/с.

Максимальная скорость передачи кадров максимального размера (1500 байт) составляет 813 кадров в секунду. Полезная пропускная способность при этом составит 9.76 Мбит/с.

В сетях Ethernet на канальном уровне используются кадры 4-х различных форматов. Это связано с длительной историей развития технологии Ethernet, насчитывающей период существования до принятия стандартов IEEE 802, когда подуровень LLC не выделялся из общего протокола и, соответственно, заголовок LLC не применялся.

Различия в форматах кадров могут приводить к несовместимости в работе аппаратуры и сетевого программного обеспечения, рассчитанного на работу только с одним стандартом кадра Ethernet. Однако сегодня практически все сетевые адаптеры, драйверы сетевых адаптеров, мосты/коммутаторы и маршрутизаторы умеют работать со всеми используемыми на практике форматами кадров технологии Ethernet, причем распознавание типа кадра выполняется автоматически.

Ниже приводится описание всех четырех типов кадров Ethernet (здесь под кадром понимается весь набор полей, которые относятся к канальному уровню, то есть поля MAC и LLC уровней). Один и тот же тип кадра может иметь разные названия, поэтому ниже для каждого типа кадра приведено по нескольку наиболее употребительных названий:

кадр 802.3/LLC (кадр 802.3/802.2 или кадр Novell 802.2);

кадр Raw 802.3 (или кадр Novell 802.3);

кадр Ethernet DIX (или кадр Ethernet II);

кадр Ethernet SNAP.

Форматы всех этих четырех типов кадров Ethernet приведены на рис. 10.3.

Кадр 802.3/LLC

Заголовок кадра 802.3/LLC является результатом объединения полей заголовков кадров, определенных в стандартах IEEE 802.3 и 802.2.

Стандарт 802.3 определяет восемь полей заголовка (рис. 10.3; поле преамбулы и начальный ограничитель кадра на рисунке не показаны).

Поле преамбулы (Preamble) состоит из семи синхронизирующих байт 10101010. При манчестерском кодировании эта комбинация представляется в физической среде периодическим волновым сигналом с частотой 5 МГц.

Начальный ограничитель кадра (Start-of-frame-delimiter, SFD) состоит из одного байта 10101011. Появление этой комбинации бит является указанием на то, что следующий байт - это первый байт заголовка кадра.

Адрес назначения (Destination Address, DA) может быть длиной 2 или 6 байт. На практике всегда используются адреса из 6 байт.

Адрес источника (Source Address, SA) - это 2- или 6-байтовое поле, содержащее адрес узла - отправителя кадра. Первый бит адреса всегда имеет значение 0.

Длина (Length, L) - 2-байтовое поле, которое определяет длину поля данных в кадре.

Поле данных (Data) 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 допустимого значения в 46 байт.

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

Поле контрольной суммы (Frame Check Sequence, PCS) состоит из 4 байт, содержащих контрольную сумму. Это значение вычисляется по алгоритму CRC-32.

Кадр 802.3 является кадром МАС-подуровня, поэтому в соответствии со стандартом 802.2 в его поле данных вкладывается кадр подуровня LLC с удаленными флагами начала и конца кадра. Формат кадра LLC был описан выше. Так как кадр LLC имеет заголовок длиной 3 (в режиме LLC1) или 4 байт (в режиме LLC2), то максимальный размер поля данных уменьшается до 1497 или 1496 байт.

Рисунок 10.3. Форматы кадров Ethernet

Кадр Raw 802.3, называемый также кадром Novell 802.3, представлен на рис. 10.3. Из рисунка видно, что это кадр подуровня MAC стандарта 802.3, но без вложенного кадра подуровня LLC. Компания Novell долгое время не использовала служебные поля кадра LLC в своей операционной системе NetWare из-за отсутствия необходимости идентифицировать тип информации, вложенной в поле данных, - там всегда находился пакет протокола IPX, долгое время бывшего единственным протоколом сетевого уровня в ОС NetWare.

Кадр Ethernet DIX/Ethernet II

Кадр Ethernet DIX, называемый также кадром Ethernet II, имеет структуру (см. рис. 10.3), совпадающую со структурой кадра Raw 802.3. Однако 2-байтовое поле Длина(L) кадра Raw 802.3 в кадре Ethernet DIX 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.

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 - Subnetwork Access Protocol, протокол доступа к подсетям). Кадр Ethernet SNAP (см. рис. 10.3) 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 Туре кадра Ethernet II (то есть в нем используются те же значения кодов протоколов). Поле OUI (Organizationally Unique Identifier) 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 технологий 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).

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

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

Стандарт Gigabit Ethernet с использованием в качестве среды передачи данных кабеля 5-й категории (неэкранированная витая пара), описанный в разделе IEEE 802.3ab, был окончательно утвержден 28 июня 1999 года.

Прошло время, и сейчас уже можно говорить, что гигабитный Ethernet по «меди» прочно вошел в историю развития локальных сетей. Резкое падение цен как на гигабитные сетевые адаптеры 1000Base-T, так и на гигабитные модули к коммутаторам постепенно привело к тому, что установка подобных адаптеров в серверы становится стандартом де-факто. К примеру, некоторые производители серверов уже стали интегрировать гигабитные адаптеры 1000Base-T на серверные материнские платы, а количество компаний, производящих такие адаптеры, в начале этого года достигло 25. Кроме того, стали выпускаться и адаптеры, предназначенные для установки в рабочие станции (они отличаются тем, что рассчитаны на 32-битную 33-мегагерцевую PCI-шину). Все это позволяет с уверенностью говорить, что через год-два гигабитные сетевые адаптеры станут столь же распространенными, как сейчас адаптеры Fast Ethernet.

Рассмотрим принципиальные нововведения, воплощенные в стандарте IEEE 802.3ab и позволившие достичь столь высокой скорости передачи, при сохранении неизменным максимального расстояния между двумя компьютерами в 100 м, как это было в стандарте Fast Ethernet.

Прежде всего напомним, что сетевые адаптеры работают на физическом и канальном уровнях семиуровневой модели OSI (Open System Interconnection). Канальный уровень принято разделять на два подуровня: MAC и LCC. Подуровень MAC (Media Access Control) - это подуровень управления доступом к среде передачи данных, обеспечивающий корректное совместное использование общей разделяемой среды передачи данных, предоставляя ее в соответствии с определенным алгоритмом в распоряжение той или иной станции. Подуровень LCC (Logical Link Control) отвечает за передачу кадров между узлами с различной степенью надежности, а также реализует функции интерфейса с прилегающим к нему третьим (сетевым) уровнем.

Все отличия между Ethernet и Fast Ethernet сосредоточены только на физическом уровне. При этом MAC и LCC не претерпели каких-либо изменений.

Физический уровень можно условно разделить на три элемента: уровень согласования, независимый от среды интерфейс (Media Independent Interface, MII) и устройство физического уровня (Physical layer device, PHY). Устройство физического уровня также можно поделить на несколько подуровней: подуровень физического кодирования, подуровень физического присоединения (Physical Medium Attachment), подуровень зависимости физической среды (Physical Medium Dependent) и подуровень автопереговоров о скорости передачи данных (Auto-Negotiation).

Если отличия между Ethernet и Fast Ethernet минимальны и не затрагивают MAC-уровня, то при разработке стандарта Gigabit Ethernet 1000Base-T разработчикам пришлось не только внести изменения в физический уровень, но и затронуть MAC-уровень (рис. 1).

Тем не менее между всеми тремя технологиями осталось много общего. Прежде всего это метод доступа к среде передачи данных CSMA/CD, полудуплексный и полнодуплексный режимы работы, а также форматы кадров Ethernet. В то же время использование витой пары кабеля 5-й категории потребовало внести серьезные изменения в реализацию физического уровня адаптера.

Первой проблемой реализации скорости 1 Гбит/с стало обеспечение приемлемого диаметра сети при работе в полудуплексном режиме работы. Как известно, минимальный размер кадра в сетях Ethernet и Fast Ethernet составляет 64 байта. Однако размер кадра в 64 байта при скорости передачи в 1 Гбайт/с приводит к тому, что для надежного распознавания коллизий необходимо, чтобы максимальный диаметр сети (расстояние между двумя наиболее удаленными друг от друга компьютерами) составлял не более 25 м. Дело в том, что успешное распознавание коллизий возможно только в том случае, если время между посылкой двух последовательных кадров минимальной длины больше, чем двойное время распространения сигнала между двумя максимально удаленными друг от друга узлами в сети. Поэтому, чтобы обеспечить максимальный диаметр сети в 200 м (два кабеля по 100 м и коммутатор), минимальная длина кадра в стандарте Gigabit Ethernet была увеличена до 512 байт. Для увеличения длины кадра до требуемой сетевой адаптер дополняет поле данных до длины 448 байт так называемым расширением (extention). Поле расширения - это поле, заполненное запрещенными символами, которые невозможно принять за коды данных (рис. 2). В то же время увеличение минимальной длины кадра негативно сказывается при передаче коротких служебных сообщений, например квитанций, так как полезная передаваемая информация становится существенно меньше общей передаваемой информации. С целью сокращения накладных расходов при использовании длинных кадров для передачи коротких квитанций стандартом Gigabit Ethernet допускается возможность передачи нескольких кадров подряд в режиме монопольного захвата среды, то есть без передачи среды другим станциям. Такой монопольный режим захвата называется Burst Mode. В этом режиме станция может передавать подряд несколько кадров с общей длиной не более 8192 байт (BurstLength).

Как уже отмечалось, наряду с изменением MAC-уровня, достижение гигабитных скоростей передачи стало возможным благодаря существенному изменению физического уровня, то есть самой технологии представления данных (кодирования) при передаче данных по витой паре.

Для того чтобы разобраться с теми изменениями, которые были сделаны на физическом уровне, вспомним, что представляет собой кабель для передачи данных и какие помехи возникают при передаче сигналов.

Неэкранированный кабель 5-й категории состоит из четырех пар проводов, причем каждая пара перекручена между собой. Такой кабель рассчитан для работы на частоте 100 МГц (рис. 3).

Из курса физики известно, что любой кабель обладает, кроме активного, также емкостным и индуктивным сопротивлениями, причем два последних зависят от частоты сигнала. Все три типа сопротивления определяют так называемый импеданс цепи. Наличие импеданса приводит к тому, что при распространении сигнала по кабелю он постепенно затухает, теряя часть своей первоначальной мощности.

Если взаимная индукция вычисляется в начале кабеля, то соответствующий тип помех будет называться NEXT (Near-end crosstalk loss). Если же помехи, вызванные взаимной индукцией, рассматриваются в конце кабеля, то они называются FEXT (Far-end crosstalk loss - рис. 4).

Кроме того, при распространении сигнала возникает и другой тип помех, связанный с рассогласованием входного импеданса сетевого адаптера и кабеля. В результате подобного рассогласования возникает отражение сигнала, что также приводит к образованию шума.

Передача сигналов в описанных выше условиях помех требует использования хитроумных способов, позволяющих обеспечить необходимую скорость передачи и в то же время гарантировать безошибочное распознавание передаваемых сигналов.

Прежде всего напомним, какие способы используются для представления информационных сигналов.

При цифровом кодировании битовых «нулей» и «единиц» используют либо потенциальные, либо импульсные коды. В потенциальных кодах (рис. 5) для представления логических нулей и единиц используют только значение потенциала сигнала. Например, единицу представляют в виде потенциала высокого уровня, а нуль - в виде потенциала низкого уровня. Импульсные коды позволяют представлять биты перепадом потенциала определенного направления. Так, перепад потенциала от низкого уровня к высокому может соответствовать логическому нулю.

При использовании прямоугольных импульсов для передачи данных необходимо выбрать такой способ кодирования, который бы одновременно удовлетворял нескольким требованиям.

Во-первых, имел бы при одной и той же битовой скорости наименьшую ширину спектра результирующего сигнала.

Во-вторых, обладал бы способностью распознавать ошибки.

В-третьих, обеспечивал бы синхронизацию между приемником и передатчиком.

Код NRZ

В простейшем случае потенциального кодирования логическую единицу можно представлять высоким потенциалом, а логический нуль - низким. Подобный способ представления сигнала получил название «кодирование без возврата к нулю, или кодирование NRZ (Non Return to Zero)». Под термином «без возврата» в данном случае понимается то, что на протяжении всего тактового интервала не происходит изменения уровня сигнала. Метод NRZ прост в реализации, обладает хорошей распознаваемостью ошибок, но не обладает свойством самосинхронизации. Отсутствие самосинхронизации приводит к тому, что при появлении длинных последовательностей нулей или единиц приемник лишен возможности определять по входному сигналу те моменты времени, когда нужно в очередной раз считывать данные. Поэтому незначительное рассогласование тактовых частот приемника и передатчика может приводить к появлению ошибок, если приемник считывает данные не в тот момент времени, когда это нужно. Особенно критично такое явление при высоких скоростях передачи, когда время одного импульса чрезвычайно мало (при скорости передачи 100 Мбит/с время одного импульса составляет 10 нс). Другим недостатком кода NRZ является наличие низкочастотной составляющей в спектре сигнала при появлении длинных последовательностей нулей или единиц. Поэтому код NRZ не используется в чистом виде для передачи данных.

Код NRZI

Другим типом кодирования является несколько видоизмененный NRZ-код, называемый NRZI (Non Return to Zero with one Inverted). Код NRZI является простейшей реализацией принципа кодирования сменой уровня сигнала или дифференциального кодирования. При таком кодировании при передаче нуля уровень сигнала не меняется, то есть потенциал сигнала остается таким же, как и в предыдущем такте. При передаче единицы потенциал инвертируется на противоположный. Сравнение кодов NRZ и NRZI показывает, что код NRZI обладает лучшей самосинхронизацией в том случае, если в кодируемой информации логических единиц больше, чем логических нулей. Таким образом, этот код позволяет «бороться» с длинными последовательностями единиц, но не обеспечивает должной самосинхронизации при появлении длинных последовательностей логических нулей.

Манчестерский код

В манчестерском коде для кодирования нулей и единиц используется перепад потенциала, то есть кодирование осуществляется фронтом импульса. Перепад потенциала происходит на середине тактового импульса, при этом единица кодируется перепадом от низкого потенциала к высокому, а нуль - наоборот. В начале каждого такта в случае появления нескольких нулей или единиц подряд может возникать служебный перепад потенциала.

Из всех рассмотренных нами кодов манчестерский обладает лучшей самосинхронизацией, поскольку перепад сигнала происходит как минимум один раз за такт. Именно поэтому манчестерский код используется в сетях Ethernet со скоростью передачи 10 Мбит/с (10Ваsе 5, 10Ваsе 2, 10Bаsе-Т).

Код МLТ-3

Код МLТ-3 (Multi Level Transmission-3) реализуется аналогично коду NRZI. Изменение уровня линейного сигнала происходит только в том случае, если на вход кодера поступает единица, однако в отличие от кода NRZI алгоритм формирования выбран таким образом, чтобы два соседних изменения всегда имели противоположные направления. Недостаток кода MLT-3 такой же, как и у кода NRZI, - отсутствие должной синхронизации при появлении длинных последовательностей логических нулей.

Как уже отмечалось, различные коды отличаются друг от друга не только степенью самосинхронизации, но и шириной спектра. Ширина спектра сигнала определяется в первую очередь теми гармониками, которые дают основной энергетический вклад в формирование сигнала. Основную гармонику легко рассчитать для каждого типа кода. В коде NRZ или NRZI максимальная частота основной гармоники (рис. 6) соответствует периодической последовательности логических нулей и единиц, то есть когда не встречается подряд нескольких нулей или единиц. В этом случае период основной гармоники равен временному интервалу двух битов, то есть при скорости передачи 100 Мбит/с частота основной гармоники должна быть 50 Гц.

В манчестерском коде максимальная частота основной гармоники соответствует ситуации, когда на вход кодера поступает длинная последовательность нулей. В этом случае период основной гармоники равен временному интервалу одного бита, то есть при скорости передачи 100 Мбит/с максимальная частота основной гармоники будет 100 Гц.

В коде MLT-3 максимальная частота основной гармоники (рис. 7) достигается при подаче на вход кодера длинных последовательностей логических единиц. В этом случае период основной гармоники соответствует временному интервалу четырех битов. Следовательно, при скорости передачи 100 Мбит/с максимальная частота основной гармоники будет равна 25 МГц.

Как уже отмечалось, манчестерское кодирование используется в сетях Ethrnet 10 Мбит/с, что связано и с хорошими самосинхронизирующими свойствами кода, и с допустимой максимальной частотой основной гармоники, которая при работе на скорости 10 Мбит/с составит 10 МГц. Этого значения достаточно для кабеля не только 5-й, но и 3-й категории, которая рассчитана на частоту 20 МГц.

В то же время использование манчестерского кодирования для более высокоскоростных сетей (100 Мбит/с, 1 Гбит/с) является неприемлемым, так как кабели не рассчитаны на работу при столь высоких частотах. Поэтому используются другие коды (NRZI и MLT-3), но для улучшения самосинхронизирующих свойств кода они подвергаются дополнительной обработке.

Избыточные коды

Такая дополнительная обработка заключается в логическом блочном кодировании, когда одна группа бит по определенному алгоритму заменяется другой группой. Наиболее распространенными типами подобного кодирования являются избыточные коды 4B/5B, 8B/6T и 8B/10T.

В этих кодах исходные группы бит заменяются на новые, но более длинные группы. В коде 4B/5B группе из четырех бит ставится в соответствие группа из пяти бит. Возникает вопрос - для чего нужны все эти усложнения? Дело в том, что такое кодирование является избыточным. К примеру, в коде 4B/5B в исходной последовательности из четырех бит существует 16 различных битовых комбинаций нулей и единиц, а в группе из пяти бит таких комбинаций уже 32. Поэтому в результирующем коде можно выбрать 16 таких комбинаций, которые не содержат большого количества нулей (напомним, что в исходных кодах NRZI и MLT-3 длинные последовательности нулей приводят к потере синхронизации). При этом остальные не используемые комбинации можно считать запрещенными последовательностями. Таким образом, кроме улучшения самосинхронизирующих свойств исходного кода избыточное кодирование позволяет приемнику распознавать ошибки, так как появление запрещенной последовательности бит свидетельствует о возникновении ошибки. Соответствие исходных и результирующих кодов приведено в табл. 1 .

Из таблицы видно, что после использования избыточного кода 4B/5B в результирующих последовательностях не встречается более двух нулей подряд, что гарантирует самосинхронизацию битовой последовательности.

В коде 8B/6T последовательность восьми бит исходной информации заменяется последовательностью из шести сигналов, каждый из которых может принимать три состояния. В восьмибитной последовательности имеется 256 различных состояний, а в последовательности шести трехуровневых сигналов таких состояний уже 729 (3 6 =729), поэтому 473 состояния считаются запрещенными.

В коде 8B/10T каждая восьмибитная последовательность заменяется на десятибитную. При этом в исходной последовательности содержится 256 различных комбинаций нулей и единиц, а в результирующей 1024. Таким образом, 768 комбинаций являются запрещенными.

Все рассмотренные избыточные коды находят применение в сетях Ethernet. Так, код 4B/5B используется в стандарте 100Base-TX, а код 8B/6T - в стандарте 100Base-4T, который в настоящее время практически уже не используется. Код 8B/10T используется в стандарте 1000Base-Х (когда в качестве среды передачи данных используется оптоволокно).

Кроме использования избыточного кодирования широкое применение находит и другой способ улучшения исходных свойств кодов - это так называемое скрэмблирование.

Скремблирование

Скрэмблирование (scramble - перемешивание) заключается в перемешивании исходной последовательности нулей и единиц с целью улучшения спектральных характеристик и самосинхронизирующих свойств результирующей последовательности битов. Осуществляется скремблирование путем побитовой операции исключающего ИЛИ (XOR) исходной последовательности с псевдослучайной последовательностью. В результате получается «зашифрованный» поток, который восстанавливается на стороне приемника с помощью дескрэмблера.

С аппаратной точки зрения скрэмблер состоит из нескольких логических элементов XOR и регистров сдвига. Напомним, что логический элемент XOR (исключающее ИЛИ) совершает над двумя булевыми операндами x и y, которые могут принимать значение 0 или 1, логическую операцию на основе таблицы истинности (табл. 2).

Из данной таблицы непосредственно следует основное свойство операции исключающего ИЛИ:

Кроме того, нетрудно заметить, что к операции исключающего ИЛИ применим сочетательный закон:

На схемах логический элемент XOR принято обозначать так, как показано на рис. 8 .

Как уже отмечалось, другим составным элементом скрэмблера является регистр сдвига. Регистр сдвига состоит из нескольких последовательно связанных друг с другом элементарных запоминающих ячеек, выполненных на основе триггерных схем и передающих информационный сигнал с входа на выход по управляющему сигналу - тактирующему импульсу. Регистры сдвига могут реагировать как на положительный фронт тактирующего импульса (то есть при переходе управляющего сигнала из состояния 0 в состояние 1), так и на отрицательный фронт.

Рассмотрим простейшую запоминающую ячейку регистра сдвига, управляемую по положительному фронту тактирующего импульса С (рис. 9).

В момент изменения тактирующего импульса из состояния 0 в состояние 1 на выход ячейки передается тот сигнал, который был на его входе в предыдущий момент времени, то есть когда управляющий сигнал С был равен 0. После этого состояние выхода не изменяется (ячейка заперта) вплоть до прихода следующего положительного фронта тактирующего импульса.

Используя цепочку, состоящую из нескольких последовательно связанных запоминающих ячеек с одним и тем же управляющим сигналом, можно составить регистр сдвига (рис. 10), в котором информационные биты будут последовательно передаваться от одной ячейки к другой синхронно по положительному фронту тактирующего импульса.

Составным элементом любого скрэмблера является генератор псевдослучайной последовательности. Такой генератор образуется из регистра сдвига при создании обратной связи между входом и выходами запоминающих ячеек регистра сдвига посредством логических элементов XOR.

Рассмотрим генератор псевдослучайной последовательности, изображенный на рис. 11 . Пусть в начальный момент времени все четыре запоминающие ячейки хранят некоторое предустановленное состояние. К примеру, можно предположить, что Q1=1, Q2=0, Q3=0 и Q4=1, а на входе первой ячейки D=0. После прихода тактирующего импульса все разряды сдвинутся на один бит, а на вход D поступит сигнал, значение которого определится по формуле:

Пользуясь данной формулой, нетрудно определить значения выходов запоминающих ячеек на каждом такте работы генератора. В табл. 3 показано состояние выходов запоминающих ячеек генератора псевдослучайной последовательности на каждом такте работы. При этом нетрудно заметить, что в начальный момент времени и через 15 тактов состояние генератора полностью повторяется, то есть 15 тактов работы - это период повторения нашей псевдослучайной последовательности (именно из наличия периода повторения последовательность и называется псевдослучайной). В общем случае, если генератор состоит из n-ячеек, период повторения равен:

Рассмотренный нами генератор использовал некоторое произвольное начальное состояние ячеек, то есть имел предустановку. Однако вместо такой предустановки в скрэмблерах часто используют саму исходную последовательность, подвергающуюся скрэмблированию. Такие скрэмблеры называются самосинхронизирующими. Пример подобного скрэмблера изображен на рис. 12 .

Если обозначить двоичную цифру исходного кода, поступающую на i-м такте работы на вход скрэмблера, через A i , а двоичную цифру результирующего кода, полученную на i-м такте работы, через B i , то нетрудно заметить, что рассматриваемый скрэмблер осуществляет следующую логическую операцию: , где B i -3 и B i -4 - двоичные цифры результирующего кода, полученные на предыдущих тактах работы скрэмблера, соответственно на 3 и на 4 такта ранее текущего момента.

После раскодирования полученной таким образом последовательности на стороне приемника используется дескрэмблер. Самое удивительное, что схема дескрэмблера полностью идентична схеме скрэмблера. В том, что это действительно так, нетрудно убедиться путем простых рассуждений. Если обозначить через B i двоичную цифру исходного кода, поступающую на i-м такте работы на вход дескрэмблера, а двоичную цифру результирующего кода, полученную на i-м такте работы, через С i , то дескрэмблер, работая по той же схеме, что и скрэмблер, должен реализовывать следующий алгоритм:

Следовательно, если схема дескрэмблера совпадает со схемой скрэмблера, то дескреблер полностью восстанавливает исходную последовательность информационных бит.

Рассмотренная четырехразрядная схема скрэмблера является одной из простейших. В технологии 1000Base-T используется значительно более сложный скрэмблер на 33 разряда, что увеличивает период повторения до 8 589 934 591 бит (2 33 –1), то есть формируемые псевдослучайные последовательности повторяются через 68,72 с.

Кодирование PAM-5

Разобравшись с тем, какие коды используются для представления данных, и рассмотрев методы улучшения самосинхронизирующих и спектральных свойств этих кодов, попробуем выяснить, достаточно ли этих мер, чтобы обеспечить передачу данных на скорости 1000 Мбит/с с использованием четырехпарного кабеля 5-й категории.

Как уже отмечалось, манчестерское кодирование обладает хорошими самосинхронизирующими свойствами и в этом смысле не требует каких-либо доработок, однако максимальная частота основной гармоники численно равна скорости передачи данных, то есть количеству переданных бит в секунду. Этого достаточно для передачи данных со скоростью 10 Мбит/с, так как кабель 3-й категории (а в стандарте 10Base-T может использоваться такой кабель) ограничен частотами в 16 МГц. Однако манчестерское кодирование не годится для передачи данных со скоростью 100 Мбит/с и выше.

Использование кода NRZI после дополнительной доработки с помощью избыточного блочного кода 4B/5B и скрэмблирования, а также трехпозиционного кода MLT-3 (с целью уменьшения максимальной частоты основной гармоники) позволяет передавать данные со скоростью 100 Мбит/с по кабелю 5-й категории. Действительно, при использовании кода MLT-3 максимальная частота основной гармоники численно равна одной четвертой от скорости передачи данных, то есть при скорости передачи 100 Мбит/с частота основной гармоники не превосходит 25 МГц, что вполне достаточно для кабеля 5-й категории. Однако такой способ не годится для передачи данных на скорости 1000 Мбит/с.

Поэтому в стандарте 1000Base-T используется принципиально иной способ кодирования. Для уменьшения тактовой частоты до величин, позволяющих передавать данные по витым парам категории 5, данные в линии представляются в так называемом коде PAM-5 (рис. 13). В нем передаваемый сигнал имеет набор из пяти фиксированных уровней {–2, –1, 0, +1, +2}. Четыре из них используются для кодирования информационных битов, а пятый предназначен для коррекции ошибок. На наборе из четырех фиксированных уровней одним дискретным состоянием сигнала можно закодировать сразу два информационных бита, поскольку комбинация из двух бит имеет четыре возможные комбинации (так называемые дибиты) - 00, 01, 10 и 11.

Переход к дибитам позволяет в два раза повысить битовую скорость. Чтобы различать битовую, или информационную, скорость и скорость различных дискретных состояний сигнала, вводят понятие бодовой скорости. Бод - это количество различных дискретных состояний сигнала в единицу времени. Поэтому, если в одном дискретном состоянии кодируется два бита, битовая скорость в два раза больше бодовой, то есть 1 Бод = 2 бит/с.

Если учесть, что кабель 5-й категории рассчитан на частоту 125 МГц, то есть способен работать с бодовой скоростью 125 МБод, то информационная скорость по одной витой паре составит 250 Мбит/с. Вспомним, что в кабеле имеется четыре витые пары, поэтому если задействовать все четыре пары (рис. 14), то можно повысить скорость передачи до 250 Мбит/сх4=1000 Мбит/с, то есть достичь желаемой скорости.

Как уже отмечалось, в кодировании PAM-5 имеется пять дискретных уровней, однако для передачи дибитов используется только четыре уровня. Пятый избыточный уровень кода (Forward Error Correction, FEC) используется для механизма построения коррекции ошибок. Он реализуется кодером Треллиса и декодером Витерби. Применение механизма коррекции ошибок позволяет увеличить помехоустойчивость приемника на 6 дБ.

Треллис-кодирование

Рассмотрим принципы треллис-кодирования на основе простейшего кодера, состоящего из двух запоминающих ячеек и элементов XOR (рис. 15). Пусть на вход такого кодера поступает со скоростью k бит/с последовательность бит 0101110010. Если на выходе кодера установить считывающую ячейку, работающую с вдвое большей частотой, чем скорость поступления бит на вход кодера, то скорость выходного потока будет в два раза выше скорости входного потока. При этом считывающая ячейка за первую половину такта работы кодера считывает данные сначала с логического элемента XOR 2, а вторую половину такта - с логического элемента XOR 3. В результате каждому входному биту ставится в соответствие два выходных бита, то есть дибит, первый бит которого формируется элементом XOR 2, а второй - элементом XOR 3. По временной диаграмме состояния кодера нетрудно проследить, что при входной последовательности бит 0101110010 выходная последовательность будет 00 11 10 00 01 10 01 11 11 10.

Отметим одну важную особенность принципа формирования дибитов. Значение каждого формируемого дибита зависит не только от входящего информационного бита, но и от двух предыдущих бит, значения которых хранятся в двух запоминающих ячейках. Действительно, если принято, что A i - входящий бит, то значение элемента XOR 2 определится выражением , а значение элемента XOR 3 - выражением . Таким образом, дибит формируется из пары битов, значение первого из которых равно , а второго - . Следовательно, значение дибита зависит от трех состояний: значения входного бита, значения первой запоминающей ячейки и значения второй запоминающей ячейки. Такие кодеры получили название сверточных кодеров на три состояния (K = 3) с выходной скоростью ½.

Работу кодера удобно рассматривать на основе не временных диаграмм, а так называемой диаграммы состояния. Состояние кодера будем указывать с помощью двух значений - значения первой и второй запоминающих ячеек. К примеру, если первая ячейка хранит значение 1 (Q1=1), а вторая - 0 (Q2=0), то состояние кодера описывается значением 10. Всего возможно четыре различных состояния кодера: 00, 01, 10 и 11.

Пусть в некоторый момент времени состояние кодера равно 00. Нас интересует, каким станет состояние кодера в следующий момент времени и какой дибит будет при этом сформирован. Возможны два исхода в зависимости от того, какой бит поступит на вход кодера. Если на вход кодера поступит 0, то следующее состояние кодера также будет 00, если же поступит 1, то следующее состояние (то есть после сдвига) будет 10. Значение формируемых при этом дибитов рассчитывается по формулам и . Если на вход кодера поступает 0, то будет сформирован дибит 00 (), если же на вход поступает 1, то формируется дибит 11 (). Приведенные рассуждения удобно представить наглядно с помощью диаграммы состояний (рис. 16), где в кружках обозначаются состояния кодера, а входящий бит и формируемый дибит пишутся через косую черту. Например, если входящий бит 1, а формируемый дибит 11, то записываем: 1/11.

Продолжая аналогичные рассуждения для всех остальных возможных состояний кодера, легко построить полную диаграмму состояний, на основе которой легко вычисляется значение формируемого кодером дибита.

Используя диаграмму состояний кодера, несложно построить временную диаграмму переходов для уже рассмотренной нами входной последовательности бит 0101110010. Для этого строится таблица, в столбцах которой отмечаются возможные состояния кодера, а в строках - моменты времени. Возможные переходы между различными состояниями кодера отображаются стрелками (на основе полной диаграммы состояний кодера - рис. 17), над которыми обозначаются входной бит, соответствующий данному переходу, и соответствующий дибит. Например, для двух первых моментов времени диаграмма состояния кодера выглядит так, как показано на рис. 18 . Красной стрелкой отображен переход, соответствующий рассматриваемой последовательности бит.

Продолжая отображать возможные и реальные переходы между различными состояниями кодера, соответствующие различным моментам времени (рис. 19 , , ), получим полную временную диаграмму состояний кодера (рис. 22).

Основным достоинством изложенного выше метода треллис-кодирования является его помехоустойчивость. Как будет показано в дальнейшем, благодаря избыточности кодирования (вспомним, что каждому информационному биту ставится в соответствие дибит, то есть избыточность кода равна 2) даже в случае возникновения ошибок приема (к примеру, вместо дибита 11 ошибочно принят дибит 10) исходная последовательность бит может быть безошибочно восстановлена.

Для восстановления исходной последовательности бит на стороне приемника используется декодер Витерби.

Декодер Витерби

Декодер Витерби в случае безошибочного приема всей последовательности дибитов 00 11 10 00 01 10 01 11 11 10 будет обладать информацией об этой последовательности, а также о строении кодера (то есть о его диаграмме состояний) и о его начальном состоянии (00). Исходя из этой информации он должен восстановить исходную последовательность бит. Рассмотрим, каким образом происходит восстановление исходной информации.

Зная начальное состояние кодера (00), а также возможные изменения этого состояния (00 и 10), построим временную диаграмму для первых двух моментов времени (рис. 22). На этой диаграмме из состояния 00 существует только два возможных пути, соответствующих различным входным дибитам. Поскольку входным дибитом декодера является 00, то, пользуясь диаграммой состояний кодера Треллиса, устанавливаем, что следующим состоянием кодера будет 00, что соответствует исходному биту 0.

Однако у нас нет 100% гарантии того, что принятый дибит 00 является правильным, поэтому не стоит пока отметать и второй возможный путь из состояния 00 в состояние 10, соответствующий дибиту 11 и исходному биту 1. Два пути, показанные на диаграмме, отличаются друг от друга так называемой метрикой ошибок, которая для каждого пути рассчитывается следующим образом. Для перехода, соответствующего принятому дибиту (то есть для перехода, который считается верным), метрика ошибок принимается равной нулю, а для остальных переходов она рассчитывается по количеству отличающихся битов в принятом дибите и дибите, отвечающем рассматриваемому переходу. Например, если принятый дибит 00, а дибит, отвечающий рассматриваемому переходу, равен 11, то метрика ошибок для этого перехода равна 2.

Для следующего момента времени, соответствующего принятому дибиту 11, возможными будут два начальных состояния кодера: 00 и 10, а конечных состояния будет четыре: 00, 01, 10 и 11 (рис. 23). Соответственно для этих конечных состояний существует несколько возможных путей, отличающихся друг от друга метрикой ошибок. При расчете метрики ошибок необходимо учитывать метрику предыдущего состояния, то есть если для предыдущего момента времени метрика для состояния 10 была равной 2, то при переходе из этого состояния в состояние 01 метрика ошибок нового состояния (метрика всего пути) станет равной 2 + 1 = 3.

Для следующего момента времени, соответствующего принятому дибиту 10, отметим, что в состояния 00, 01 и 11 ведут по два пути (рис. 24). В этом случае необходимо оставить только те переходы, которым отвечает меньшая метрика ошибок. Кроме того, поскольку переходы из состояния 11 в состояние 11 и в состояние 01 отбрасываются, переход из состояния 10 в состояние 11, отвечающий предыдущему моменту времени, не имеет продолжения, поэтому тоже может быть отброшен. Аналогично отбрасывается переход, отвечающий предыдущему моменту времени из состояния 00 в 00.

Продолжая подобные рассуждения, можно вычислить метрику всех возможных путей и изобразить все возможные пути.

При этом количество самих возможных путей оказывается не так велико, как может показаться, поскольку большинство из них отбрасываются в процессе построения, как не имеющие продолжения (рис. 25). К примеру, на шестом такте работы декодера по описанному алгоритму остается всего четыре возможных пути.

Аналогично и на последнем такте работы декодера имеется всего четыре возможных пути (рис. 26), причем истинный путь, однозначно восстанавливающий исходную последовательность битов 0101110010, соответствует метрике ошибок, равной 0.

При построении рассмотренных временных диаграмм удобно отображать метрику накопленных ошибок для различных состояний кодера в виде таблицы. Именно эта таблица и является источником той информации, на основе которой возможно восстановить исходную последовательность бит (табл. 4).

В описанном выше случае мы предполагали, что все принятые декодером дибиты не содержат ошибок. Рассмотрим далее ситуацию, когда в принятой последовательности дибитов содержатся две ошибки. Пусть вместо правильной последовательности 00 11 10 00 01 10 01 11 11 10 декодер принимает последовательность 00 11 11 00 11 10 01 11 11 10, в которой третий и пятый дебит являются сбойными. Попробуем применить рассмотренный выше алгоритм Витерби, основанный на выборе пути с наименьшей метрикой ошибок, к данной последовательности и выясним, сможем ли мы восстановить в правильном виде исходную последовательность битов, то есть исправить сбойные ошибки.

Вплоть до получения третьего (сбойного) дибита алгоритм вычисления метрики ошибок для всех возможных переходов не отличается от рассмотренного ранее случая. До этого момента наименьшей метрикой накопленных ошибок обладал путь, отмеченный на рис. 27 красным цветом. После получения такого дибита уже не существует пути с метрикой накопленных ошибок, равной 0. Однако при этом возникнут два альтернативных пути с метрикой, равной 1. Поэтому выяснить на данном этапе, какой бит исходной последовательности соответствует полученному дибиту, невозможно.

Аналогичная ситуация возникнет и при получении пятого (также сбойного) дибита (рис. 28). В этом случае будет существовать уже три пути с равной метрикой накопленных ошибок, а установить истинный путь возможно только при получении следующих дибитов.

После получения десятого дибита количество возможных путей с различной метрикой накопленных ошибок станет достаточно большим (рис. 29), однако на приведенной диаграмме (с использованием табл. 5 , где представлена метрика накопленных ошибок для различных путей) нетрудно выбрать единственный путь с наименьшей метрикой (на рис. 29

Рассмотренный пример сверточного кодера имел всего четыре различных состояния: 00, 01, 10 и 11. В технологии 1000Base-T используется сверточный кодер уже на восемь различных состояний (с тремя элементами задержки), поэтому он называется восьмипозиционным. Кроме того, поскольку символы передаются по всем четырем витым парам кабеля одновременно с использованием пятиуровневого кодирования PAM-5, такое кодирование получило название четырехмерного 4D/PAM-5.

Другим существенным отличием кодера Треллиса, используемого в технологии 1000Base-T, является алгоритм перехода между различными состояниями кодера. В рассмотренном нами простейшем примере состояние кодера в следующий момент времени определялось исключительно текущим состоянием и входным битом. Так, если текущее состояние 00, а входной бит 1, то следующее состояние, то есть поле сдвига битов по запоминающим ячейкам, будет соответствовать 10. В реальном восьмипозиционном кодере Треллиса, управляющих (входных) битов два, а переходы между различными состояниями определяются по алгоритму наибольшего расстояния между точками сигнального созвездия. Как следует из рис. 30 , кодер Треллиса реализует соотношение:

где d 6 , d 7 и d 8 - соответственно биты данных на линиях 6, 7 и 8.

Поясним это на конкретном примере.

Вспомним, что в коде PAM-5 используется пять уровней для передачи сигналов: –2, –1, 0, +1, +2. При этом уровням +2/–2 соответствует напряжение +1/–1 В, а уровням +1/–1 - напряжение +0,5/–0,5 В. Учитывая, что по четырем витым парам одновременно передается четыре уровня сигнала и каждый из этих уровней может принимать одно из пяти значений, всего получаем 625 (5х5х5х5) разных комбинаций сигналов. Различные возможные состояния сигнала удобно изображать на так называемой сигнальной плоскости. На этой плоскости каждое возможное состояние сигнала изображается сигнальной точкой, а совокупность всех сигнальных точек называют сигнальным созвездием. Естественно, что изобразить четырехмерное пространство не представляется возможным, поэтому рассмотрим для наглядности двухмерное сигнальное созвездие 5х5. Такое созвездие формально может соответствовать двум витым парам. Изобразим вдоль оси Х точки, отвечающие одной витой паре, а вдоль оси Y - другой. Тогда наше 2D-созвездие будет выглядеть так, как показано на рис. 31 .

Обратим внимание, что минимальное расстояние между двумя точками такого созвездия равно 1.

Под воздействием шума и затухания сигнала сигнальное созвездие претерпевает искажения (рис. 32), в результате которых положение каждой сигнальной точки расплывается, а расстояние между ними сокращается. Вследствие этого точки в сигнальном созвездии становятся трудноразличимыми и велика вероятность их перепутывания.

Поэтому одной из задач кодера Треллиса является такое формирование сигнального созвездия, которое обеспечивало бы максимальное расстояние между различными сигнальными точками. Для того чтобы понять, как это делается, обозначим уровни сигналов –1 и +1 через Х, а уровни –2, 0, +2 через Y. Тогда исходное созвездие можно изобразить в виде, показанном на рис. 33 .

Разделив это созвездие на два подсозвездия, одно из которых сформировано из точек XX и YY, а другое - из точек XY и YX, можно увеличить расстояние между сигнальными точками до (рис. 34).

При использовании двух витых пар задача кодера Треллиса заключается в том, чтобы по одной витой паре посылать только символы, принадлежащие какому-либо одному из сигнальных созвездий, например D0=XX+YY, а по второй витой паре - символы, принадлежащие другому созвездию, например D1=XY+YX. Тогда расстояние между посылаемыми символами станет в два раза больше, чем было в исходном созвездии. В результате улучшается распознаваемость точек в сигнальном созвездии, то есть возрастает помехозащищенность.

Приблизительно по такой же схеме работает и реальный треллис-кодер, формирующий символы, посылаемые по четырем витым парам, однако, поскольку каждой точке созвездия отвечают четыре координаты (по одной на каждую пару) и каждая точка может принимать значение X или Y, то всего существует 16 различных комбинаций, из которых можно сформировать восемь подсозвездий:

В полученных подсозвездиях минимальное расстояние между точками в два раза больше, чем в исходном созвездии. Кроме того, минимальное расстояние между точками двух разных подсозвездий также равно 2. Именно эти восемь сигнальных созвездий формируют диаграмму состояний треллис-кодера. К примеру, состоянию кодера 000 соответствует комбинация точек из созвездий D0D2D4D6 в том смысле, что по первой паре передаются точки из созвездия D0, по второй паре - из созвездия D2 и т.д. Следующему возможному состоянию кодера будет соответствовать такая комбинация, при которой минимальное расстояние между посылаемыми символами по каждой паре равно 2.

Использование треллис-кодирования по описанной схеме позволяет снизить соотношение «сигнал/шум» (SNR) на 6 дБ, то есть значительно увеличить помехоустойчивость при передаче данных.

КомпьютерПресс 2"2002

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.