Опис технології Fast Ethernet

Fast Ethernet - специфікація IEЕЕ 802.3u, офіційно прийнята 26 жовтня 1995 року, яка визначає стандарт протоколу канального рівня для мереж, які працюють при використанні як мідного, так і волоконно-оптичного кабелю із швидкістю 100Мб/с. Нова специфікація є спадкоємицею стандарту Ethernet IEЕЕ 802.3, використовуючи такий же формат кадру, механізм доступу до середовища CSMA/CD і топологію зірка. Еволюція торкнулася кількох елементів конфігурації засобів фізичного рівня, що дозволило збільшити пропускну спроможність, включаючи типи застосовуваного кабелю, довжину сегментів і кількість концентраторів.

Структура Fast Ethernet

Щоб краще зрозуміти роботу і розібратися у взаємодії елементів Fast Ethernet, звернемося до малюнку 1.

Малюнок 1. Система Fast Ethernet

Підрівень управління логічним зв'язком (LLC)

У специфікації IEEE 802.3u функції канального рівня розбиті на два підрівні: управління логічним зв'язком (LLC) і рівня доступу до середовища (MAC), який буде розглянуто нижче. LLC, функції якого визначені стандартом IEEE 802.2, фактично забезпечує взаємозв'язок з протоколами більш високого рівня, (наприклад, з IP або IPX), надаючи різні комунікаційні послуги:

• Сервіс без встановлення з'єднання і підтверджень прийому. Простий сервіс, який не забезпечує управління потоком даних або контроль помилок, а також не гарантує правильну доставку даних.
• Сервіс з встановленням з'єднання. Абсолютно надійний сервіс, який гарантує правильну доставку даних за рахунок встановлення з'єднання з системою-приймачем до початку передачі даних і використання механізмів контролю помилок і управління потоком даних.
• Сервіс без встановлення з'єднання з підтвердженнями прийому. Середній по складності сервіс, який використовує повідомлення підтвердження прийому для забезпечення гарантованої доставки, але не встановлює з'єднання до передачі даних.

На передавальній системі дані, передані вниз від протоколу Мережевого рівня, спочатку інкапсулюються підрівнем LLC. Стандарт називає їх Protocol Data Unit (PDU, протокольний блок даних). Коли PDU передається вниз підрівню MAC, де знову обрамляється заголовком і post-інформацією, з цього моменту технічно його можна назвати кадром. Для пакета Ethernet це означає, що кадр 802.3, крім даних Мережевого рівня, містить трибайтовий заголовок LLC. Таким чином, максимально допустима довжина даних в кожному пакеті зменшується з 1500 до 1497 байтів.

Тема LLC складається з трьох полів:

• DSAP (1 байт) Destination Service Access Point - точка доступу до сервісу системи - отримувач зазначає, в якому місці буферів пам'яті системи-одержувача слід розмістити дані пакета.
• SSAP (1 байт) Source Service Access Point - точка доступу до сервісу системи-джерела виконує такі ж функції для джерела даних, розміщених в пакеті, на передавальній системі.
• Поле управління (1 або 2 байти) вказує на тип сервісу, необхідного для даних в PDU і функцій пакета. Залежно від того, який сервіс потрібно надати, поле управління може бути довжиною 1 або 2 байти.

У деяких випадках кадри LLC відіграють незначну роль в процесі мережевого обміну даними. Наприклад, в мережі, що використовує TCP/IP поряд з іншими протоколами, єдина функція LLC може полягати в наданні можливості кадрам 802.3 містити заголовок SNAP, подібно Ethertype, що вказує протокол Мережевого рівня, якому повинен бути переданий кадр. У цьому випадку всі PDU LLC задіють ненумерований інформаційний формат. Однак інші високорівневі протоколи вимагають від LLC більш розширеного сервісу. Наприклад, сесії NetBIOS і кілька протоколів NetWare використовують сервіси LLC з встановленням з'єднання більш широко.

Заголовок SNAP

Приймаючій системі необхідно визначити, який з протоколів Мережевого рівня повинен отримати вхідні дані. У пакетах 802.3 в рамках PDU LLC застосовується ще один протокол, званий Sub - Network Access Protocol ( SNAP, протокол доступу до підмереж).

Тема SNAP має довжину 5 байт і розташовується безпосередньо після заголовка LLC в полі даних кадру 802.3, як показано на малюнку. Тема містить два поля.

Код організації. Ідентифікатор організації або виробника - це 3-байтове поле, яке приймає таке ж значення, як перші 3 байти МАС-адреси відправника в заголовку 802.3.

Локальний код. Локальний код - це поле довжиною 2 байти, яке функціонально еквівалентно полю Ethertype в заголовку Ethernet II.

Підрівень узгодження

Як було сказано раніше, Fast Ethernet - це еволюція стандарту. MAC, розрахований на інтерфейс AUI, необхідно перетворити для інтерфейсу MII, використовуваного в Fast Ethernet, для чого і призначений цей підрівень.

Управління доступом до середовища (MAC)

Кожен вузол в мережі Fast Ethernet має контролер доступу до середовища (Media Access Controller - MAC). MAC має ключове значення в Fast Ethernet і має три призначення:

• визначає, коли вузол може передати пакет;
• пересилає кадри рівню PHY для перетворення в пакети і передачі в середовище; *
• отримує кадри з рівня PHY і передає обробляючому програмному забезпеченню (протоколам і додаткам). *

Найважливішим з трьох призначень MAC є перше. Для будь-якої мережевої технології, яка використовує загальне середовище, є правила доступу до середовища, що визначають, коли вузол може передавати. Це і є його основною характеристикою. Розробкою правил доступу до середовища займаються кілька комітетів IЕЕЕ. Комітет 802.3, часто іменований комітетом Ethernet, визначає стандарти на ЛВС, в яких використовуються правила під назвою CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection - множинний доступ з контролем несучої і виявленням конфліктів).

CSMS/CD є правилами доступу до середовища як для Ethernet, так і для Fast Ethernet. Саме в цій області дві технології повністю збігаються.

Оскільки всі вузли в Fast Ethernet спільно використовують одне і те ж середовище, передавати вони можуть лише тоді, коли настає їхня черга. Визначають цю чергу правила CSMA/CD.

CSMA/CD

Контролер MAC Fast Ethernet, перш ніж приступити до передачі, прослуховує несучу. Несуча існує лише тоді, коли інший вузол веде передачу. Рівень PHY визначає наявність несучої і генерує повідомлення для MAC. Наявність несучої говорить про те, що навколишнє середовище зайняте і вузол (або вузли), які слухають, повинні поступитися передавальному.

MAC, що має кадр для передачі, перш ніж передати його, повинен почекати певний мінімальний проміжок часу після закінчення попереднього кадру. Це час називається міжпакетною щілиною (IPG, interpacket gap) і триває 0,96 мікросекунди, тобто десяту частину від часу передачі пакета звичайного Ethernet зі швидкістю 10 Мбіт/с (IPG - єдиний інтервал часу, завжди визначається в мікросекундах, а не в часі біта) - див. малюнок 2.

Малюнок 2. Міжпакетна щілина

Після закінчення пакета 1 всі вузли ЛВС зобов'язані почекати протягом часу IPG, перш ніж зможуть передавати. Часовий інтервал між пакетами 1 і 2, 2 і 3 на мал. 2 - це час IPG. Після завершення передачі пакету 3 жоден вузол не мав матеріалу для обробки, тому часовий інтервал між пакетами 3 і 4 довше, ніж IPG.

Всі вузли мережі повинні дотримуватися цих правил. Навіть якщо на вузлі є багато кадрів для передачі і цей вузол є єдиним передавальним, то після пересилання кожного пакета він повинен почекати протягом, принаймні, часу IPG.

Саме в цьому полягає частина CSMA правил доступу до середовища Fast Ethernet. Коротше кажучи, багато вузлів мають доступ до середовища і використовують несучу для контролю її зайнятості.

У ранніх експериментальних мережах застосовувалися саме ці правила, і такі мережі працювали дуже добре. Тим не менш, використання лише CSMA призвело до виникнення проблеми. Часто два вузла, маючи пакет для передачі і прочекавши час IPG, починали передавати одночасно, що призводило до спотворення даних по обидва боки. Така ситуація називається колізією (collision) або конфліктом.

Для подолання цієї перешкоди ранні протоколи використовували досить простий механізм. Пакети ділилися на дві категорії: команди і реакції. Кожна команда, передана вузлом, вимагала реакції. Якщо протягом деякого часу (званого періодом тайм-ауту) після передачі команди реакція на неї не була отримана, то вихідна команда подавалася знову. Це могло відбуватися по кілька разів (гранична кількість тайм-аутів), перш ніж передавальний вузол фіксував помилку.

Ця схема могла прекрасно працювати, але лише до певного моменту. Виникнення конфліктів призводило до різкого зниження продуктивності (вимірюваної зазвичай в байтах в секунду), тому що вузли часто простоювали в очікуванні відповідей на команди, які ніколи не досягають пункту призначення. Перевантаження мережі, збільшення кількості вузлів безпосередньо пов'язані з ростом числа конфліктів і, отже, зі зниженням продуктивності мережі.

Проектувальники ранніх мереж швидко знайшли рішення цієї проблеми: кожен вузол повинен встановлювати факт втрати переданого пакета шляхом виявлення конфлікту (а не чекати на реакцію, якої ніколи не буде). Це означає, що втрачені в зв'язку з конфліктом пакети повинні бути негайно передані знову до закінчення часу тайм-ауту. Якщо вузол передав останній біт пакета без виникнення конфлікту, значить, пакет переданий успішно.

Метод контролю несучої добре поєднувати з функцією виявлення колізій. Колізії все ще продовжують відбуватися, але на продуктивності мережі це не відбивається, оскільки як вузли швидко позбуваються від них. Група DIX, розробивши правила доступу до середовища CSMA/CD для Ethernet, оформила їх у вигляді простого алгоритму - малюнок 3.

Малюнок 3. Алгоритм роботи CSMA/CD

Пристрій фізичного рівня (PHY)

Оскільки Fast Ethernet може використовувати різний тип кабелю, то для кожного середовища потрібно унікальне попереднє перетворення сигналу. Перетворення також потрібно для ефективної передачі даних: зробити переданий код стійким до перешкод, можливих втрат або спотворень окремих його елементів (Бодів), для забезпечення ефективної синхронізації тактових генераторів на передавальній або приймальній стороні.

Підрівень кодування (PCS)

Кодує/декодує дані, шо надходять від/до рівня MAC з використанням алгоритмів 4B/5B або 8B/6T.

Підрівні фізичного приєднання залежно від фізичного середовища (PMА і PMD)

Підрівні РМА і PMD здійснюють зв'язок між підрівнем PSC та інтерфейсом MDI, забезпечуючи формування відповідно до методу фізичного кодування: NRZI або MLT-3.

Підрівень автопереговорів (AUTONEG)

Підрівень автопереговорів дозволяє двом взаємодіючим портам автоматично вибирати найбільш ефективний режим роботи: дуплексний або напівдуплексний 10 або 100 Мб/с.

Фізичний рівень

Стандарт Fast Ethernet визначає три типи середовища передачі сигналів Ethernet зі швидкістю 100 Мбіт/с.

• 100Base-TX - дві кручені пари проводів. Передача здійснюється відповідно до стандарту передачі даних в крученому фізичному середовищі, розробленому ANSI (American National Standards Institute - Американський національний інститут стандартів). Кручений кабель для передачі даних може бути екранованим або неекранованим. Використовує алгоритм кодування даних 4В/5В і метод фізичного кодування MLT-3.
• 100Base-FX - дві жили волоконно-оптичного кабелю. Передача також здійснюється відповідно до стандарту передачі даних у волоконно-оптичному середовищі, який розроблений ANSI. Використовує алгоритм кодування даних 4В/5В і метод фізичного кодування NRZI.

Специфікації 100Base-TX і 100Base-FX відомі також як 100Base-X

• 100Base-T4 - це особлива специфікація, розроблена комітетом IEEE 802.3u. Відповідно до цієї специфікації, передача даних здійснюється за чотирма крученим парам телефонного кабелю, який називають кабелем UTP категорії 3. Використовує алгоритм кодування даних 8В/6Т і метод фізичного кодування NRZI.

Додатково стандарт Fast Ethernet включає рекомендації по використанню кабелю екранованої крученої пари категорії 1, який є стандартним кабелем, традиційно використовується в мережах Token Ring. Організація підтримки і рекомендації по використанню кабелю STP в мережі Fast Ethernet надають спосіб переходу на Fast Ethernet для покупців, що мають кабельну розводку STP.

Специфікація Fast Ethernet включає також механізм автоузгодження, що дозволяє порту вузла автоматично налаштовуватися на швидкість передачі даних - 10 або 100 Мбіт/с. Цей механізм заснований на обміні пакетів з портом концентратора або перемикача.

Середовище 100Base-TX

В середовищі передачі 100Base-TX застосовуються дві кручені пари, причому одна пара використовується для передачі даних, а друга - для їх прийому. Оскільки специфікація ANSI TP - PMD містить описи як екранованих, так і неекранованих кручених пар, то специфікація 100Base-TX включає підтримку як неекранованих, так і екранованих кручених пар типу 1 і 7.

Роз'єм MDI (Medium Dependent Interface)

Інтерфейс каналу 100Base-TX залежить від середовища і може бути одного з двох типів. Для кабелю на неекранованих кручених парах в гнізді MDI слід використовувати восьмиконтактний роз'єм RJ 45 категорії 5. Цей же роз'єм застосовується і в мережі 10Base-T, що забезпечує зворотну сумісність з існуючими кабельними розводками категорії 5. Для екранованих кручених пар в якості роз'єму MDI необхідно використовувати роз'єм STP IBM типу 1, який є екранованим роз'ємом DB9. Такий роз'єм зазвичай застосовується в мережах Token Ring.

Кабель UTP категорії 5 (e) *

В інтерфейсі середовища UTP 100Base-TX застосовуються дві пари проводів. Для мінімізації перехресних наведень і можливого спотворення сигналу залишилися чотири дроти, які не повинні використовуватися з метою передачі будь-яких сигналів. Сигнали передачі і прийому для кожної пари є поляризованими, причому один дріт передає позитивний (+), а другий - негативний (-) сигнал. Кольорове маркування проводів кабелю і номера контактів роз'єма для мережі 100Base-TX наведені в табл. 1. Хоча рівень PHY 100Base-TX розроблявся після прийняття стандарту ANSI TP-PMD, проте номери контактів роз'єма RJ 45 були змінені для узгодження зі схемою розводки, яка вже використовується в стандарті 10Base-T. У стандарті ANSI TP-PMD контакти 7 і 9 застосовуються для прийому даних, в той час як в стандартах 100Base-TX і 10Base-T для цього призначені контакти 3 і 6. Така розводка забезпечує можливість використання адаптерів 100Base-TX замість адаптерів 10 Base-T і їх підключення до тих же кабелів категорії 5 без зміни розводки. У роз'ємі RJ 45 використовуються пари проводів, які підключаються до контактів 1, 2 і 3, 6. Для правильного підключення проводів слід керуватися їх кольоровим маркуванням.

Таблиця 1. Призначення контактів роз'єма MDI кабелю UTP 100Base-TX

* - Категорія 5e була розроблена пізніше для Gigabit Ethernet (IEEE 802.ab) і відповідає всім вимогам категорії 5, що робить першу придатною для Fast Ethernet.

Кабель STP типу 1

Стандарт 100Base-TX також підтримує кабель на екранованих кручених парах з повним опором 150 Ом. Цей кабель розповсюджений не так широко, як кабель на неекранованих кручених парах, і зазвичай використовується на будівлях, обладнаних мережею Token Ring. Кабелі на екранованих кручених парах прокладають згідно до специфікації ANSI TP-PMD для кабелю на екранованих кручених парах і використовують для них дев'ятиконтактний роз'єм типу D. У роз'ємі DB-9 застосовуються контакти 1, 2 і 5, 9. Якщо плата NIC не має роз'єму DB- 9, то до кінців кабелю STP необхідно підключити штекер RJ 45 категорії 5 (табл. 2).

Таблиця 2. Призначення контактів роз'єма MDI кабелю STP 100Base-TX

Середовище 100Base-FX

У мережах стандарту 100Base-FX використовується волоконно-оптичний кабель, довжиною сегмента до 412 метрів. Стандарт визначає, що в кабелі є дві жили багатомодового волокна - одна для передачі, а інша для прийому даних. Якщо NIC робочої станції функціонує в повнодуплексному режимі, то довжина кабелю може скласти до 2000 метрів. Волоконно-оптичні кабелі бувають двох категорій: багатомодові і одномодові.

Багатомодовий кабель

У волоконно-оптичному кабелі цього типу використовується волокно з серцевиною діаметром 50, або 62,5 мікрометри і зовнішньою оболонкою товщиною 125 мікрометрів. Такий кабель називається багатомодовим оптичним кабелем з волокнами 50/125 (62,5/125) мікрометрів. Для передачі світлового сигналу по багатомодовому кабелю застосовується світлодіодний приймач з довжиною хвилі 850 (820) нанометрів. Якщо багатомодовий кабель з'єднує два порти перемикачів, які працюють в повнодуплексному режимі, то він може мати довжину до 2000 метрів.

Одномодовий кабель

Одномодовий волоконно-оптичний кабель має менший, ніж у багатомодового, діаметр серцевини - 10 мікрометрів, і для передачі по одномодовому кабелю використовується лазерний приймач, що в сукупності забезпечує ефективну передачу на великі дистанції. Довжина хвилі переданого світлового сигналу близька до діаметру серцевини, який дорівнює 1300 нанометрів. Це число відомо як довжина хвилі нульової дисперсії. В одномодовому кабелі дисперсія і втрати сигналу дуже незначні, що дозволяє передавати світлові сигнали на більші відстані, ніж в разі застосування багатомодового волокна.

Роз'єм MDI

Для підключення волоконно-оптичного кабелю на даний момент створено роз'єми наступних типів:

• MIC (Media Interface) використовується в мережах FDDI. Для того, щоб забезпечити правильне підключення кабелів FDDI, роз'єми позначаються буквами А, В, М і S. Буква позначає, куди підключати штекер: до вузла або до певного порту концентратора FDDI. Якщо в якості роз'єма MDI 100Base-FX використовується MlC FDDI, то специфікація IEЕЕ вимагає, щоб цей роз'єм був маркований літерою М;
• ST;
• SC - двобічний роз'єм, єдиний рекомендований комітетом IEEE для використання в мережі 100Base-FX Fast Ethernet;
• MT-RJ;

Середовище 100Base-T4

100Base-T4 є єдиним повністю новим стандартом рівня PHY в рамках стандарту 100Base-T, оскільки 100Base-TX і 100Base-FX були розроблені з використанням стандартів ANSI FDDI. Стандарт 100Base-T4 призначався для організацій, у яких вже прокладені кабелі UTP категорії 3 або 4. Специфікація 100Base-T4 заохочує використання кабелів категорії 5 всюди, де це можливо. Якщо в стінах будівлі прокладені кабелі UTP категорії 3 або 4, то додаткове використання кабелів категорії 5 дозволяє поліпшити якість сигналу.

Роз'єм MDI

У мережах 100Base-T4 застосовується неекранована кручена пара категорій 3, 4 або 5. Використовуються чотири пари проводів, а це означає, що задіяні всі вісім контактів роз'єма RJ45. Одна з чотирьох пар служить для передачі даних, інша - для прийому, а дві, що залишилися - для двобічної передачі даних. Три з чотирьох пар використовуються для одночасної передачі даних, а четверта - для виявлення колізій. Один провід кожної пари передає позитивний (+) сигнал, а інший - негативний (-) сигнал. Кабель 100Base-T4 не допускає роботу в повнодуплексному режимі. Необхідно правильно підключити дроти до контактів роз'ємів і не розплітати пари проводів.

Таблиця 3. Призначення контактів роз'єма МDI кабелю UTP 100Base-T4

Обмеження довжини кабелю

У мережах 100Base-TX рівень сигналу не так важливий в порівнянні з часом поширення сигналів. Механізм CSMA/CD в мережі Fast Ethernet працює так само, як в мережі Ethernet 10 Мбіт/с, і пакети мають аналогічний розмір, але їх швидкість поширення через середовище передачі в десять разів вища. Через те, що механізм детектування колізій залишився тим же, системи все ще повинні виявляти виникнення конфлікту перш, ніж закінчиться час передачі (тобто перш, ніж будуть передані 512 байт даних). Таким чином, оскільки трафік поширюється швидше, часовий проміжок зменшується, і максимальна довжина мережі також повинна бути скорочена, щоб виявлення колізій відбувалося безпомилково. З цієї причини гранична загальна довжина мережі 100Base-TX приблизно становить 210 м. Цього значення необхідно дотримуватися набагато жорсткіше, ніж максимуму в 500 м для мережі 10Base-T.

Коли планується мережа, необхідно враховувати той факт, що вимога стандарту Fast Ethernet до максимальної довжині сегмента кабелю в 100 м включає в себе всю довжину кабелю, що з'єднує комп'ютер з концентратором. Якщо кабельна розводка внутрішня і закінчується на стороні комп'ютера настінною розеткою, а на стороні концентратора - комутаційної панеллю, то в довжину сегмента необхідно включити комутаційні кабелі, що з'єднують комп'ютер з розеткою і комутаційну панель з концентратором. Специфікація рекомендує брати максимальну довжину для сегмента кабелю внутрішньої розводки, що дорівнює 90 м, залишаючи 10 м для комутаційних кабелів.

Зміни концентраторів

Оскільки гранично допустима довжина для сегмента 100Base-TX становить ті ж 100 м, що і для 10Base-T, обмеження на загальну довжину мережі позначаються на конфігурації ретранслюючих концентраторів, використовуваних для з'єднання сегментів. Стандарт Fast Ethernet описує два типи концентраторів для мереж 100Base-TX: клас I і клас II. Кожен концентратор Fast Ethernet повинен мати римську цифру I або II, що ідентифікує його клас.

Концентратори класу I призначені для підтримки сегментів кабелю з різними типами передачі сигналів. 100Base-TX і 100Base-FX використовують один і той же тип передачі сигналів, в той час як 100Base-T4 - відмінний від нього (оскільки присутні дві двонаправлені пари). Концентратор класу I містить схему, яка переводить вхідні сигнали 100Base-TX, 100Base-FX і 100Base-T4 в загальний цифровий формат, а потім знову здійснює конверсію в сигнал, відповідний вихідному порту концентратора. Зазначені перетворення призводять до того, що концентратор класу 1 вносить порівняно велику затримку часу, і тому на шляху між двома будь-якими вузлами в мережі не повинно бути більше одного концентратора цього класу.

Концентратори класу II можуть підтримувати сегменти кабелю тільки з однаковими середовищами передачі сигналів. Оскільки перетворень не проводиться, концентратор негайно передає вхідні дані на вихідні порти. Через те, що тимчасова затримка коротше, між двома будь-якими вузлами в мережі може бути встановлено до двох концентраторів класу II, але при цьому всі сегменти повинні використовувати ідентичне середовище передачі сигналів. Це означає, що концентратор класу II може підтримувати або 100Base-TX і 100Base-FX одночасно, або окремо 100Base-T4.

Додаткові обмеження довжини сегментів також грунтуються на поєднанні використовуваних в мережі сегментах кабелю і концентраторах. Чим складніше стає конфігурація мережі, тим менше повинен бути максимальний розмір області колізій. Ці обмеження зібрані в табл. 4.

Таблиця 4. Нормативи для багатосегментної конфігурації Fast Ethernet

Слід пам'ятати, що в конфігурації мережі, що містить два концентратори класу II, найдовше з'єднання між двома вузлами в дійсності включає три кабелі: два кабелі для приєднання вузлів до відповідних їм концентраторів і один кабель для з'єднання двох концентраторів між собою. Наприклад, стандарт передбачає, що додаткові 5 м, враховані в обмеженні довжини для всіх мідних мереж, будуть вибрані при з'єднанні двох концентраторів (мал. 8.13). Однак на практиці три кабелі можуть бути будь-якої довжини, але їх загальна довжина не повинна перевищувати 205 м.

Подолання обмежень топології

Одним з найбільш часто критикованих обмежень Fast Ethernet є діаметр мережі, який не повинен перевищувати 205 метрів. Таке обмеження ускладнює пряму заміну деяких мереж Ethernet на Fast Ethernet. Постачальники інших технологій, зокрема Token Ring, 100 VG AnyLAN і FDDI, підкреслюють, що їх технології можуть підтримувати мережі набагато більшого діаметру. Це дійсно так і спочатку обмежувало застосування Fast Ethernet мережами робочих груп і підрозділів. Проте таке обмеження топології може бути легко подолано шляхом використання перемикачів і повнодуплексних волоконно-оптичних зв'язків.

Способом подолання обмежень топології є розбиття єдиної області колізій на кілька за допомогою перемикача. Діаметр мережі Fast Ethernet, що використовує мідний кабель і повторювач Класу I, не може перевищити 200 метрів. Якщо ми додамо до цієї мережі єдиний перемикач і встановимо повторювачі на різні порти, то максимальний діаметр повної ЛВС, яка перемикається, зросте до 400 метрів.

Реальна перевага мережі з перемикачами проявляється тоді, коли кілька перемикачів з'єднуються повнодуплексним волоконно-оптичним кабелем, довжина якого може досягати 2000 метрів (у разі застосування багатомодового кабелю. При застосуванні одномодового кабелю відстані досягають десятків кілометрів і залежать від типу використовуваного обладнання). Цей прийом прекрасно підходить для опорної мережі.

Взаємодія вузлів мережі

Вузли взаємодіють один з одним шляхом обміну кадрами (frames). В Fast Ethernet кадр є базовою одиницею обміну по мережі - будь-яка інформація, передана між вузлами, поміщається в поле даних одного або декількох кадрів. Пересилання кадрів від одного вузла до іншого можлива лише при наявності способу однозначної ідентифікації всіх вузлів мережі. Тому кожен вузол в ЛВС має адресу, яка називається його МАС-адресою. Ця електронна адреса унікальна: ніякі два вузли локальної мережі не можуть мати одну і ту ж МАС-адресу. Більш того, ні в одній з технологій ЛВС (за винятком ARCNet) ніякі два вузли в світі не можуть мати однакових МАС-адрес. Будь-який кадр містить, принаймні, три основні порції інформації: адреса одержувача, адреса відправника та дані. Деякі кадри мають інші поля, але обов'язковими є лише три перераховані. На малюнку 4 відображена структура кадру Fast Ethernet.

Малюнок 4. Структура кадру Fast Ethernet

• адреса одержувача - вказується адреса вузла, який отримує дані;
• адреса відправника - вказується адреса вузла, який послав дані;
• довжина/тип (L/T - Length/Type) - міститься інформація про тип переданих даних;
• контрольна сума кадру (PCS - Frame Check Sequence) - призначена для перевірки коректності кадру, отриманого приймаючим вузлом.

Мінімальний обсяг кадру становить 64 октети, або 512 бітів (терміни октет і байт - синоніми). Максимальний обсяг кадру дорівнює 1518 октетам, або 12144 бітам.

Адресация кадрів

Кожен вузол в мережі Fast Ethernet має унікальний номер, який називається МАС-адресою (MAC address) або адресою вузла. Цей номер складається з 48 бітів (6 байтів), і привласнюється мережевому інтерфейсу під час виготовлення пристрою та програмується в процесі ініціалізації. Тому мережеві інтерфейси всіх ЛВС, за винятком ARCNet, яка використовує 8-бітові адреси, що привласнюються мережевим адміністратором, мають вбудовану унікальну МАС-адресу, що відрізняється від всіх інших МАС-адрес на Землі і привласнюється виробником за погодженням з IEEE.

Щоб полегшити процес управління мережевими інтерфейсами, IEEE було запропоновано розділити 48-бітове поле адреси на чотири частини, як показано на малюнку 5. Перші два біти адреси (біти 0 і 1) є прапорцями типу адреси. Значення прапорців визначає спосіб інтерпретації адресної частини (біти 2 - 47).

Малюнок 5. Формат МАС-адреси

Біт I/G називається прапорцем індивідуальної/групової адреси і показує, якою (індивідуальною або груповою) є адреса. Індивідуальна адреса присвоюється тільки одному інтерфейсу (або вузлу) в мережі. Адреси, у яких біт I/G встановлений в 0 - це МАС-адреси або адреси вузла. Якщо біт I/O встановлений в 1, то адреса належить до групових і зазвичай називається багатопунктовою адресою (multicast address) або функціональною адресою (functional address). Групова адреса може бути привласнена одному або декільком мережевим інтерфейсам ЛВС. Кадри, послані по груповій адресі, отримують або копіюють всі мережеві інтерфейси ЛВС, що нею володіють. Багатопунктові адреси дозволяють послати кадр підмножині вузлів локальної мережі. Якщо біт I/O встановлений в 1, то біти від 46 до 0 трактуються як багатопунктова адреса, а не як поля U/L, OUI і OUA звичайної адреси. Біт U/L називається прапорцем універсального/місцевого управління і визначає, як було присвоєно адресу мережевого інтерфейсу. Якщо обидва біти, I/O і U/L, встановлені в 0, то адреса є унікальним 48-бітових ідентифікатором, описаним раніше.

OUI (organizationally unique identifier - організаційно унікальний ідентифікатор). IEEE привласнює один або кілька OUI кожному виробнику мережевих адаптерів та інтерфейсів. Кожен виробник відповідає за правильність присвоєння OUA (organizationally unique address - організаційно унікальної адреси), яку повинен мати будь-який створений ним пристрій.

При установці біта U/L адреса є локально керованою. Це означає, що він задається не виробником мережевого інтерфейсу. Будь-яка організація може створити свою МАС-адресу мережевого інтерфейсу шляхом установки біта U/L в 1, а бітів з 2-го по 47-й в яке-небудь вибране значення. Мережевий інтерфейс, отримавши кадр, насамперед декодує адресу одержувача. При встановленні в адресі біта I/O рівень MAC отримає цей кадр лише в тому випадку, якщо адреса одержувача знаходиться в списку, який зберігається на вузлі. Цей прийом дозволяє одному вузлу відправити кадр багатьох вузлів.

Існує спеціальна багатопунктова адреса, яка зветься широкомовною адресою. У 48-бітовій широкомовній IEEE-адресі все біти встановлені в 1. Якщо кадр передається з широкомовною адресою одержувача, то всі вузли мережі отримають і оброблять його.

Поле Довжина/Тип

Поле L/T (Length/Type - Довжина/Тип) застосовується в двох різних цілях:

• для визначення довжини поля даних кадру, виключаючи будь-яке доповнення пробілами;
• для позначення типу даних в полі даних.

Значення поля L/T, що знаходиться в інтервалі між 0 і 1500, є довжиною поля даних кадру; більш високе значення вказує на тип протоколу.

Взагалі поле L/T є історичним спадком стандартизації Ethernet в IEEE, який породив ряд проблем з сумісністю обладнання, випущеного до 1983 року. Зараз Ethernet і Fast Ethernet ніколи не використовує поля L/T. Зазначене поле служить лише для узгодження з програмним забезпеченням, що обробляє кадри (тобто з протоколами). Але єдиним справді стандартним призначенням поля L/T є використання його в якості поля довжини - в специфікації 802.3 навіть не згадується про можливе його застосування як поля типу даних. Стандарт говорить: "Кадри зі значенням поля довжини, що перевищує визначене у пункті 4.4.2, можуть бути проігноровані, відкинуті або використані приватно. Використання даних кадрів виходить за межі цього стандарту".

Підводячи підсумок сказаному, зауважимо, що поле L/T є первинним механізмом, за яким визначається тип кадру. Кадри Fast Ethernet і Ethernet, в яких значенням поля L/T задається довжина (значення L/T <1500), називаються кадрами 802.3, кадри, в яких значенням цього ж поля встановлюється тип даних (значення L/T >1500), називаються кадрами Ethernet - II або DIX.

Поле даних

В полі даних міститься інформація, яку один вузол пересилає іншому. На відміну від інших полів, що зберігають досить специфічні відомості, поле даних може містити майже будь-яку інформацію, аби лише її обсяг становив не менше 46 і не більше 1500 байтів. Як форматується та інтерпретується вміст поля даних, визначають протоколи.

Якщо необхідно переслати дані довжиною менше 46 байтів, рівень LLC додає в їх кінець байти з невідомим значенням, звані незначущими даними (pad data). В результаті довжина поля стає рівною 46 байтам.

Якщо кадр має тип 802.3, то в полі L/T вказується значення обсягу дійсних даних. Наприклад, якщо пересилається 12-байтовое повідомлення, то поле L/T зберігає значення 12, а в полі даних знаходяться і 34 додаткових незначущих байти. Додавання незначущих байтів ініціює рівень LLC Fast Ethernet, і зазвичай реалізується апаратно.

Засоби рівня MAC не ставлять вміст поля L/T - це робить програмне забезпечення. Установка значення цього поля майже завжди проводиться драйвером мережевого інтерфейсу.

Контрольна сума кадру

Контрольна сума кадру (PCS - Frame Check Sequence) дозволяє переконатися в тому, що отримані кадри не пошкоджені. При формуванні переданого кадру на рівні MAC використовується спеціальна математична формула CRC (Cyclic Redundancy Check - циклічний надлишковий код), призначена для обчислення 32-розрядного значення. Отримане значення поміщається в поле FCS кадру. На вхід елемента рівня MAC, що обчислює CRC, подаються значення всіх байтів кадру. Поле FCS є первинним і найбільш важливим механізмом виявлення і виправлення помилок в Fast Ethernet, починаючи з першого байта адреси одержувача і закінчуючи останнім байтом поля даних.

Додаток A

Значення полів DSAP і SSAP

Поле управління

За значеннями префіксних бітів вирізняють три формати поля контролю:

• Інформаційний формат починається з біта зі значенням 0.
• Керуючий формат має двохбітовий префікс зі значенням 1 і 0.
• Ненумерований формат починається з двох бітів зі значенням 1.

Решта бітів більш конкретно вказують на функції PDU. При більш складному обміні даними, що включає сервіс на основі встановлення з'єднання, ненумеровані кадри містять команди, які дозволяють встановити з'єднання з іншою системою і розірвати його після закінчення передачі даних. Команди, що передаються в ненумерованих кадрах, мають наведені нижче найменування.

• UI (Unnumbered Information, передача даних). Використовується сервісом без встановлення з'єднання і підтвердження для відправки кадрів даних.
• XID ( Exchange Identification, ідентифікація). Проводиться сервісами з встановленням з'єднання і без такого - як команди, так і відповіді.
• TEST (діагностика). Застосовується як команда і як відповідь при виконанні тесту методом петлевого контролю (loopback test) LLC.
• FRMR ( Frame Reject, відхилення кадру). Видається як відповідь в разі виникнення збоїв в роботі протоколу.
• SABME (Set Asynchronous Balanced Mode Extended, запит на з'єднання). Посилається як запит на встановлення з'єднання.
• UA (Unnumbered Acknowledgment, підтвердження). Є позитивною відповіддю на повідомлення SABME.
• DM (Disconnect Mode, затримка з'єднання і роз'єднання). Повертається як негативна відповідь на повідомлення SABME.
• DISC (Disconnect, роз'єднання). Передається як запит на завершення з'єднання. Як відповідь, очікується або UA, або DM.

Інформаційні кадри містять дійсні дані, що передаються як під час сеансів із встановленням з'єднання, так і сесій без встановлення з'єднання з підтвердженням, а також повідомлення підтвердження прийому, яке повертається приймаючою системою. Тільки два типи повідомлень передаються в інформаційних кадрах: N (S) і N (R) для відправлених і отриманих повідомлень відповідно. Обидві системи відстежують послідовність номерів пакетів, якими вони обмінюються. Повідомлення N (S) інформує одержувача про те, яку кількість пакетів з послідовності було вже відправлено, а повідомлення N (R) дозволяє відправнику мати інформацію про те, який з пакетів очікується для прийому.

Керуючі кадри використовуються тільки сервісами з встановленням з'єднання. Вони забезпечують обслуговування з'єднання, виражене у формі сервісів управління потоком даних і корекції помилок. Відповідні керуючі повідомлення мають типи, що перераховані нижче.

• RR (Receiver Ready, готовність приймача). Використовується для інформування відправника про те, що з'єднання чинне, і одержувач готовий до прийому наступного кадру.
• RNR (Receiver Not Ready, приймач не готовий). Потребує від відправника не передавати пакети до тих пір, поки одержувач не відправить повідомлення RR.1
• REJ (Frame Reject, дані відкинуті). Повідомляє передавальній системі про помилку і вимагає повторної передачі всіх кадрів, відправлених до  певного моменту.

Алгоритм 4B/5B

Виконує перетворення 4 Bit-to-5 Bit. Отримана надмірність коду дозволяє використовувати спеціальні комбінації для управління потоком і перевірки автентичності прийнятої комбінації. Однак застосування такого коду збільшує частоту сигналу, що передається до 125 МГц.

Таблиця комбінації управління потоком

Таблиця кодування символів

Прийняті комбінації, що не відповідають вищеописаним, вважаються помилковими.

Алгоритм 8B/6T

Алгоритм кодування 8В6Т перетворює восьмибітовий октет даних (8B) в шестибітовий тернарний символ (6T). Кодові групи 6т призначені для передачі паралельно по трьом крученим парам кабелю, тому ефективна швидкість передачі даних по кожній кручений парі становить одну третину від 100 Мбіт/с, тобто 33,33 Мбіт/с. Швидкість передачі тернарних символів по кожній кручений парі становить 6/8 від 33,3 Мбіт/с, що відповідає тактовій частоті 25 МГц. Саме з такою частотою працює таймер інтерфейсу МП. На відміну від бінарних сигналів, які мають два рівні, тернарні сигнали, що передаються по кожній парі, можуть мати три рівні.

Таблиця кодування символів

Метод кодування NRZI

NRZI - Non Return to Zero Invertive (інверсне кодування без повернення до нуля). Цей метод є модифікованим методом Non Return to Zero (NRZ), де для подання 1 і 0 використовуються потенціали двох рівнів. У коді NRZ I також використовується 2 потенціали, але його поточне значення залежить від попереднього. Якщо поточне значення біта "1", то отриманий потенціал повинен бути інверсією від попереднього, якщо значення біта "0" - такий же.

Оскільки код незахищений від довгих послідовностей "нулів" або "одиниць", то це може привести до проблем синхронізації. Тому перед передачею задану послідовність бітів рекомендується попередньо закодувати кодом, що передбачає скремблювання (скремблер призначений для додання властивостей випадковості переданій послідовності даних з метою полегшення виділення тактової частоти приймачем).

Метод кодування MLT-3

MLT-3 Multi Level Transmission - 3 (багаторівнева передача) - трохи схожий з кодом NRZ, але на відміну від останнього має три рівні сигналу.

Одиниці відповідає перехід з одного рівня сигналу на інший, причому зміна рівня сигналу відбувається послідовно з урахуванням попереднього переходу. При передачі "нуля" сигнал не змінюється.

Цей код, так само як і NRZ, потребує попереднього кодування.

Складено за матеріалами:

1. Гавкотом Куїн, Річард Расел "Fast Ethernet";
2. До. Заклер "Комп'ютерні мережі";
3. В.Г. і Н.А. Оліфер "Комп'ютерні мережі";

Джерело: ixbt.com