Стандарты IEEE 802.3 и Ethernet

Технология Ethernet - наиболее популярная и распространенна в наши дни. Данная технология появилась в 70-е годы XX века, когда инженер-исследователь из массачусетского технологического института Билл Меткалф, сотрудничавший также с исследовательским центром компании Xerox в г.Пало-Альто, подготовил докторскую диссертацию, посвященную методикам организации компьютерных коммуникаций. Вскоре совместно со специалистами из корпораций Intel и DEC (Digital Equipment Corporation) фирма Xerox разработала на основе этой диссертации коммерческий стандарт, который и получил название Ethernet. Чуть позже, в 1980 году, стандарт Ethernet лег в основу универсальной спецификации для локальных сетей, построенных по принципу множественного доступа, определения несущей частоты и автоматического обнаружения сбоев (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection, CSMA/CD). Эта спецификация, разработанная Институтом инженеров по радиотехнике и электронике (Institute of Electrical and Electronic Engineers, IEEE), получила название IEEE 802.3. Поскольку стандарты IEEE 802.3 и Ethernet крайне близки не только по своей идеологии, но и с точки зрения технической совместимости, в современной литературе их традиционно принято называть общим термином - Ethernet.

Классы сетей Ethernet

В рамках стандарта Ethernet принято различать несколько типов построения распределенной вычислительной системы (классов), отличающихся топологической структурой, используемым оборудованием, типом кабеля, скоростью передачи данных (пропускной способностью линий).

При построении разветвленной локальной сети возможна организация нескольких подсетей, построенных с использованием различных топологий. Применительно к стандарту Ethernet возможна организация локальных сетей с топологией "общая шина" или "звезда".

Каждый из классов сетей Ethernet имеет собственное обозначение, отражающее его технические характеристики. Такое обозначение имеет вид XBase/BroadY, где Х - пропускная способность сети, обозначение Base или Broad говорит о методе передачи сигнала - однополосный (baseband) или широкополосный (broadband), и, наконец, число Y отображает максимальную длину сегмента сети в сотнях метров, либо обозначает тип используемого в такой системе кабеля, который и накладывает ограничения на максимально возможное расстояние между двумя узлами сети, исходя из собственных технических характеристик.

Например, сеть класса 10Base2 имеет пропускную способность 10 Мбит/с, использует метод передачи данных baseband и допускает максимальную длину сегмента в 200 м.

10Base5

Класс 10Base5, который также иногда называют "толстым Ethernet", - это один из наиболее старых стандартов локальных сетей. Сегодня уже очень трудно отыскать в продаже оборудование этого типа, тем более трудно найти действующую сеть, работающую с данным типом устройств.

Сети стандарта 10Base5 использовали топологию "общая шина" и создавались на основе коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 50 Ом и пропускной способностью 10 Мбит/с. Общая шина локальной сети ограничивалась с обеих сторон терминаторами, однако помимо Т-коннекторов в подобных системах использовались специальные устройства, получившие общее название "трансиверы", которое произошло от совмещения английских слов transmitter (передатчик)и receiver (приемник). Собственно, трансиверы являлись приемниками и передатчиками данных между работающими в сети компьютерами и самой сетью.

Помимо функций собственно приемника-передатчика информации, трансиверы обеспечивали надежную электроизоляцию работающих в сети компьютеров, а также выполняли функции устройства, снижающего уровень посторонних электростатических помех. Максимальная длина коаксиального кабеля, протянутого между трансивером и сетевым адаптером компьютера (трансиверного кабеля) в таких сетях может достигать 25 м, максимальная длина одного сегмента сети (отрезка сети между двумя терминаторами) - 500 м, а минимальное расстояние между точками подключения - 2,5 м. Всего в одном сегменте сети 10Base5 может работать не более 100 компьютеров, при этом количество совместно работающих сегментов сети не должно превышать пяти.

Оборудование класса 10Base5 может применяться и в настоящее время как более дешевая альтернатива волоконной оптике, для использования в качестве сетевой магистрали (backbone - "хребет") внутри здания.

В качестве достоинств сетей данного класса можно указать значительную длину сегмента, большое количество подключаемых устройств, хорошую помехозащищенность. Недостатком является высокая стоимость подключения каждого устройства (дополнительно к сетевому адаптеру необходим еще внешний трансивер и многожильный AUI-кабель).

10Base2

Локальные сети, относящиеся к классу 10Base2, который также иногда называют Thin Ethernet, являются прямыми "наследницами" сетей 10Base5. Для соединения компьютеров используется тонкий экранированный коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50 Ом, оснащенный Т-коннекторами и терминаторами, однако в такой конфигурации Т-коннекторы подключаются к разъему сетевой карты напрямую, без использования каких-либо промежуточных устройств. Соответственно, такая сеть имеет стандартную конфигурацию "общая шина".

Максимальная длина одного сегмента сети 10Base2 может достигать 185 м, при этом минимальное расстояние между точками подключения составляет 0,5 м. Наибольшее число компьютеров, подключаемых к одному сегменту такой сети, не должно превышать 30, максимально допустимое количество сегментов сети составляет 5. Пропускная способность данной сети, как это следует из обозначения ее класса, составляет 10 Мбит/с.

Достоинством сетей этого класса можно считать то, что это наиболее экономичная технология для малых, ограниченных в средствах сетей. Недостаток заключается в том, что любой обрыв в кабеле или плохой контакт вызывает отказ всего сегмента сети; кроме того, необходимы повторители, если к сегменту сети подключается более 30 устройств или длина кабеля более 185 метров.

10BaseT

Как и стандарт 10Base2, локальные сети класса 10BaseТ обеспечивают передачу данных со скоростью 10Мбит/с, однако используют в своей архитектуре топологию "звезда" и строятся с применением кабеля "витая пара" (twisted pair).

Фактически витая пара представляет собой восьмижильный провод, в котором для обмена информации по сети используется лишь две пары проводников: одна - для приема сигнала, и одна - для передачи.

В качестве центрального звена в звездообразной структуре локальной сети 10BaseТ применяется хаб (концентратор). Для построения распределенной вычислительной системы, состоящей из нескольких сетевых сегментов, возможно подключение нескольких хабов виде каскада, либо присоединение через хаб к сети 10BaseT локальной сети другого класса, однако следует учитывать то обстоятельство, что общее число точек подключения в такой системе не должно превышать 1024.

Максимально допустимое расстояние между узлами сети 10BaseT составляет 100 м, но можно сказать, что это значение взято скорее из практики построения таких сетей, поскольку стандарт 10BaseT предусматривает иное ограничение: затухание сигнала на отрезке между приемником и источником не должно превышать порога в 11,5 децибела.

Технология передачи сигнала достаточно надежна, даже при большом уровне помех. Хотя оборудование все же дороже, чем для сетей 10Base2, кабельная система дешевле и проще в установке. Гибкость и надежность во много раз перекрывают несколько большую стоимость.

10BaseF

К классу 10BaseF (другое название - Fiber Optic) принято относить распределенные вычислительные сети, сегменты которых соединены посредством магистрального оптоволоконного кабеля, длина которого может достигать 2 км. Очевидно, что в силу высокой стоимости такие сети используются, в основном, в корпоративном секторе рынка - на крупных предприятиях, располагающих необходимыми средствами для организации подобной системы.

Сеть 10BaseF имеет звездообразную топологию, которая, однако, несколько отличается от архитектуры, принятой для сетей 10BaseT.

Компьютеры каждого сегмента такой сети подключаются к хабу, который, в свою очередь, соединяется с внешним трансивером сети 10BaseF посредством специального коммуникационного кабеля, подключаемого к 15-контактному разъему AUI (Attachment Unit Interface). Задача трансивера состоит в том, чтобы, получив из своего сегмента сети электрический сигнал, трансформировать его в оптический и передать в оптоволоконный кабель. Приемником оптического сигнала является аналогичное устройство, которое превращает его в последовательность электрических импульсов, направляемых в удаленный сегмент сети.

Преимущества оптических линий связи перед традиционными очевидны. Прежде всего, диэлектрическое волокно, используемое в оптоволоконных кабелях в качестве волноводов, обладает уникальными физическими свойствами, благодаря которым затухание сигнала в такой линии крайне мало: оно составляет величину порядка 0,2 дБ на километр при длине волны 1,55 мкм, что потенциально позволяет передавать информацию на расстояния до 100 км без использования дополнительных усилителей и ретрансляторов.

Кроме того, в оптических линиях связи частота несущего сигнала достигает 1014 Гц, а это означает, что скорость передачи данных по такой магистрали может составлять 1012 бит в секунду. Если принять во внимание тот факт, что несколько световых волн может одновременно распространяться в световоде в различных направлениях, то эту скорость можно значительно увеличить, организовав между конечными точками оптоволоконного кабеля двунаправленный обмен данными. Другой способ удвоить пропускную способность оптической линии связи заключается в одновременной передаче по оптоволокну нескольких волн с различной поляризацией.

Фактически можно сказать, что на сегодняшний день максимально возможная скорость передачи информации по оптическим линиям пока еще не достигнута, поскольку достаточно жесткие ограничения на "быстродействие" подобных сетей накладывает конечное оборудование. Оно же отвечает и за относительно высокую стоимость всей системы в целом, поскольку диэлектрический кварцевый световод сам по себе значительно дешевле традиционного медного провода.

В завершение можно упомянуть и тот факт, что оптическая линия в силу естественных физических законов абсолютно не подвержена воздействию электромагнитных помех, а также обладает существенно большим ресурсом долговечности, чем линия, изготовленная из стандартного металлического проводника.

100BaseT, 100BaseTX, 100BaseT4, 100BaseFX

Класс локальных сетей 100BaseT, называемый также Fast Ethernet, был создан в 1992 г. группой разработчиков, называемой Fast Ethernet Alliance. Фактически Fast Ethernet является "наследником" сетей стандарта 10BaseT, но позволяет передавать данные со скоростью до 100 Мбит/с.

Так же, как и сети 10BaseT, локальные сети Fast Ethernet имеют звездообразую топологию и могут быть собраны с использованием кабеля различных типов, наиболее часто применяемым из которых является витая пара. В 1995 г. данных стандарт был одобрен Институтом инженеров по радиотехнике и электронике (IEEE) и вошел в спецификацию IEEE 802.3 (под обозначением IEEE 802.3.u), обретя тем самым официальный статус.

Поскольку класс сетей 100BaseT является прямым потомком класса 10BaseT, в таких системахиспользуются стандартные для Ethernet протоколы передачи данных, а также стандартное прикладное программное обеспечение, предназначенное для администрирования локальной сети, что значительно упрощает переход от одного типа сети к другому. В настоящее время данная технология вытеснила большинство существующих на сегодняшний день "устаревших" стандартов.

Поскольку в процессе разработки данной спецификации одной из основных задач являлось сохранение совместимости новой разновидности локальных сетей с различными типами кабеля, используемого в сетях старого образца, было создано несколько модификация стандарта Fast Ethernet.

Технология 100BaseTX подразумевает использование стандартной витой пары пятой категории, в которой задействовано только четыре проводника из восьми имеющихся: два - для приема данных, и два - для передачи. Таким образом, в сети обеспечивается двунаправленный обмен информацией и, кроме того, остается потенциальная возможность для дальнейшего наращивания производительности всей распределенной вычислительной системы.

В сетях 100BaseT4 также используется витая пара, однако в ней задействованы все восемь жил проводника: одна пара работает только на прием данных, одна - только на передачу, а оставшиеся две обеспечивают двунаправленный обмен информацией. Поскольку технология 100BaseT4 подразумевает разделение всех транслируемых по сети данных на три независимых логических канала (прием, передача, прием-передача), пропорционально уменьшается частота сигнала, что позволяет прокладывать такие сети с использованием менее качественного и, следовательно, более дешевого кабеля 3-й или 4-к категории.

Стандарт 100BaseFX предназначен для работы с оптоволоконными линиями связи.

Максимальная длина одного сегмента в сетях 100BaseT (кроме подкласса 100BaseFX) не превышает 100 м, в качестве конечного оборудования используются сетевые адаптеры и концентраторы, поддерживающие этот стандарт. Существуют также универсальные сетевые адаптеры 10BaseT/100BaseT. Принцип их работы состоит в том, что в локальных сетях этих двух классов используются одинаковые линии с одним и тем же типом разъемов, а задача автоматического распознавания пропускной способности каждой конкретной сети (10 Мбитс/с или 100Мбит/с возлагается на протокол канального уровня, являющийся частью программного обеспечения самого адаптера.

Алгоритм работы такого устройства можно проиллюстрировать на простом примере. При включении компьютера, оснащенного сетевым адаптером 10BaseT/100BaseT, последний выдает в сеть сигнал, информирующий другие сетевые устройства о том, что он способен поддерживать скорость передачи данных до 100 Мбит/с. Если оборудование локальной сети (например, хаб, к которому подключен данный компьютер) обеспечивает аналогичную скорость соединения, оно генерирует ответный сигнал, после чего адаптер продолжает работать в режиме 100BaseT. Если отклика не поступает, сетевая карта автоматически переходит в режим передачи данных со скоростью 10 Мбит/с, т.е. переключается на работу в стандарте 10BaseT.

Несмотря на все преимущества спецификации 100BaseT, такие сети не лишены и ряда недостатков, унаследованных ими от своего прародителя - стандарта 10BaseT.Прежде всего, в моменты пиковой нагрузки, т.е. в случае возникновения ситуации, при которой к ресурсам сети одновременно обращается более 50% всех узлов, на линии образуется хорошо знакомый пользователям 10BaseT "затор" - другими словами, сеть начинает заметно "тормозить". И во-вторых, если в распределенной вычислительной системе применяется комбинированная технология (одна часть сети работает со стандартом 10BaseT, другая - со стандартом 100BaseT), высокая скорость соединения будет возможна только на участке, поддерживающем пропускную способность в 100 Мбит/с. Поэтому даже если ваш компьютер оснащен сетевым адаптером 100BaseT, при обращении к удаленному узлу, оборудованному сетевой картой 10BaseT, скорость соединения не превысит 10 Мбит/с.

1000BaseT

Чем быстрее растут вычислительные мощности современных персональных компьютеров, тем больше становится среднестатистический объем обрабатываемых с их помощью файлов. Соответственно, возникает потребность в пропорциональном увеличении пропускной способности линий связи. В итоге это заметно ускорило процесс эволюции сетевых технологий: не успел окончательно прижиться стандарт 100BaseT, как ему на смену подоспел новый класс локальных сетей, позволяющих передавать информацию со скоростью до гигабита в секунду. Эти сети получили обозначение 1000BaseT и альтернативное название Gigabit Ethernet.

В архитектуре сетей 1000BaseT используется топология "звезда" на базе высококачественного кабеля "витая пара" категории 5 и выше, в котором задействованы все восемь жил, причем каждая из четырех пар проводников используется как для приема, так и для передачи информации. По сравнению с технологией 100BaseT, несущая частота в сетях 1000BaseT увеличена вдвое, благодаря чему достигается десятикратное увеличение пропускной способности линии связи.

При переходе от стандарта 10BaseT или 100BaseT к 1000BaseT особые требования предъявляются к качеству монтажа сетевых розеток и разъемов: если сеть проложена в полном соответствии с существующими стандартами, она, скорее всего, сможет обеспечить требуемую скорость передачи данных, если же монтаж был выполнен с отклонениями от требований спецификации Ethernet, возникающие в соединениях помехи не позволят добиться расчетных характеристик.

Стандарт 1000BaseT был официально подтвержден Институтом инженеров по радиотехнике и электронике (IEEE) в 1999 г. и включен в спецификацию IEEE 802.3. В настоящее время оборудование для данного типа сетей выпускается несколькими независимыми производителями компьютерного "железа".

Сети архитектуры Gigabit Ethernet могут быть построены как на основе витой пары, так и на основе оптического стекловолокна и на коаксиальном кабеле.

 

Как и в более ранних классах сетей xBaseT, в случае использования витой пары длина одного сегмента Gigabit Ethernet не должна превышать 100 м. При использовании одномодового оптоволокна максимальная длина сегмента сети достигает 3000 м, многомодового - 500 м. В случае построения сети на основе коаксиального кабеля максимальная длина сегмента составляет 25 м.