Технология Ethernet. 
Имитационное моделирование сети Ethernet в среде GPSS World

Технология Ethernet была разработана в исследовательском центре компании Xerox в 70-х годах и достигла своего нынешнего лидирующего положения в 80-х. Впервые термин Ethernet был использован Робертом Меткалфом в заметке, написанной им в этом исследовательском центре в мае 1973 года.

В настоящее время самой распространённой сетевой технологией является именно Ethernet. По данным IDC, в 1997 году более 80% всех сетей были построены на базе Ethernet. Все популярные операционные системы и стеки протоколов (TCP/IP, IPX, DECNet и многие другие) поддерживают Ethernet. Причинами такого господства Ethernet в сетевом мире являются высокая надёжность, доступность инструментов управления, масштабируемость, гибкость, низкая стоимость и лёгкость внедрения.

Технология Ethernet достаточно бурно эволюционировала с момента своего зарождения.

Технология Ethernet стала базой спецификации IEEE 802.3, которая была опубликована в 1980 году. Вскоре после этого, компании Digital Equipment (DEC), Intel и Xerox разработали и приняли вторую версию спецификации Ethernet, совместимую с IEEE 802.3. В настоящее время термин Ethernet чаще всего используют для описания всех локальных сетей, работающих в соответствии с принципами CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection) — множественного доступа с контролем несущей и обнаружением коллизий, что соответствует спецификации Ethernet IEEE 802.3. В модели OSI протокол CSMA/CD относится к доступу к среде. На этом уровне определяется формат, в котором информация передаётся по сети, и способ, с помощью которого сетевое устройство получает доступ к сети (или управление сетью) для передачи данных.

Изначально технология Ethernet была ограничена тем, что пользователи конкурировали за право пользования одной полосой пропускания в 10 Мбит/с. Однако со временем были найдены интересные решения, частично снимающие эту проблему. В их основе лежит использование коммутаторов, которые, в отличии от традиционных мостов, имеют большое количество портов и обеспечивают передачу кадров между несколькими портами одновременно. Это позволяет эффективно применять коммутаторы и для таких сетей, в которых трафик между сегментами практически не отличается от трафика, циркулирующего в самих сегментах. Технология Ethernet после появления коммутаторов перестала казаться совершенно бесперспективной, так как появилась возможность соединить низкую стоимость устройств Ethernet с высокой производительностью сетей, построенных на основе коммутаторов. Используя технологию коммутируемого Ethernet, каждое устройство получает выделенный канал между собой и портом коммутатора. Технология коммутации прижилась в сетях очень быстро. Обеспечивая передачу данных со скоростью канала связи между различными сегментами локальной сети (иными словами, между портами коммутатора), коммутация позволяет создавать крупные сети с эффективной системой управления. Кроме того, эта технология стала толчком к созданию концепции виртуальных локальных вычислительных сетей (ВЛВС).

Однако, необходимость организации магистрали сети, к которой подключаются отдельные коммутаторы, не отпала. Если множество сегментов сети работает со скоростью 10Мбит/с, то магистраль должна иметь скорость значительно большую. В начале 90-х годов начала ощущаться недостаточная пропускная способность Ethernet. Для компьютеров на процессорах Intel 80 286 или 80 386 с шинами ISA (8 Мбайт/с) или EISA (32 Мбайт/с) пропускная способность сегмента Ethernet составляла 1/8 или 1/32 часть канала «память — диск» и хорошо согласовывалась с соотношением между объёмами локальных и внешних данных, циркулирующих в компьютере. Теперь же у мощных клиентских станций с процессорами Pentium или Pentium Pro и шиной PSI (133 Мбайт/с) эта доля упала до 1/133, что явно недостаточно. Поэтому многие сегменты Ethernet на 10 Мбит/с стали перегруженными, время реакции серверов и частота возникновения коллизий в таких сегментах значительно возросли, ещё более уменьшая реальную пропускную способность. В ответ на эти требования была разработана технология Fast Ethernet, являющаяся 100-мегабитной версией Ethernet.

Следует отметить, что увеличение скорости в 10 раз приводит к уменьшению максимального расстояния между узлами. Сначала было предложено простое решение задачи построения магистрали — несколько коммутаторов Ethernet связывались вместе по витой паре или волоконно-оптическому кабелю — так называемая коллапсированная магистраль. Но возникла проблема, когда потребовалось связать коммутаторы, находящиеся на больших расстояниях. Она была решена с помощью организации выделенного, свободного от коллизий оптоволоконного канала связи в этом случае коммутаторы могли связываться напрямую на расстоянии до 2 километров. Как видно, технология Fast Ethernet обеспечила достаточно всеобъемлющее решение для построения сетей масштаба одного или нескольких зданий. Одобрение стандарта на технологию Fast Ethernet в 1995 году стало важным событием для сообщества производителей сетевого оборудования, так как появилась гибкая, быстрая и масштабируемая технология передачи данных.

До разработки технологий коммутации и Fast Ethernet среди специалистов по сетевым технологиям господствовало мнение, что технологии ATM и FDDI будут оптимальным решением для организации магистрали сети. Однако в настоящее время, технология Fast Ethernet часто конкурирует с упомянутыми технологиями в этой области. Кроме того, активно разрабатывается и внедряется технология Gigabit Ethernet.

Протокол CSMA/CD состоит из двух частей: Carrier Sense Multiple Access и Collision Detection. Первая часть определяет, каким образом рабочая станция с сетевым адаптером «ловит» момент, когда ей следует послать сообщение. В соответствии с протоколом CSMA, рабочая станция вначале слушает сеть, чтобы определить, не передаётся ли в данный момент какое-либо другое сообщение. Если слышится несущий сигнал (carrier tone), значит, в данный момент сеть занята другим сообщением — рабочая станция переходит в режим ожидания и находится в нём до тех пор, пока сеть не освободится. Когда в сети наступает молчание, станция начинает передачу. Вторая часть — Collision Detection — служит для разрешения ситуаций, когда две или более рабочие станции пытаются передавать сообщения одновременно. Если две станции начнут передавать свои пакеты одновременно, то передаваемые данные наложатся друг на друга и не одно из сообщений не дойдёт до получателя. Такую ситуацию называют конфликтом или коллизией (сигналы одной станции перемешиваются с сигналами другой). Collision Detection требует, чтобы станция прослушала сеть также и после передачи пакета. Если обнаруживается конфликт, станция повторяет передачу пакета через случайным образом выбранный промежуток времени. Затем она вновь проверяет, не произошёл ли конфликт. Термин «множественный доступ» подчёркивает тот факт, что все станции имеют одинаковое право на доступ к сети.

Если одна из станций обнаружит коллизию, она пошлёт специальный сигнал, предупреждающий другие станции о произошедшем конфликте. При коллизии уничтожаются все данные в сети. После коллизии станции пытаются передать данные повторно. Для того, чтобы предотвратить одновременную передачу, был разработан специальный механизм прерываний, который предписывает каждой станции выждать случайный промежуток времени перед повторной передачей. Станция, которой достался самый короткий период ожидания, первой получит право на очередную попытку передать данные, а остальные определят, что сеть занята и вновь будут ожидать. Единицей измерения времени ожидания является удвоенное время распространения сигнала из конца в конец отрезка кабеля, равное примерно 51.2 мс. После первого конфликта каждая станция ждёт 0 или 1 единицу времени, прежде, чем попытается возобновить передачу. Если снова произошёл конфликт, что может быть, если две станции выбрали одно и то же число, то каждая из них выбирает одно из четырёх случайных чисел в качестве времени ожидания: 0,1,2,3. Если и в третий раз произошёл конфликт, случайное число выбирается из интервала 0−7. Таким образом, вероятность новой коллизии уменьшается. После десяти последовательных конфликтов интервал выбора случайных чисел фиксируется и становится равным 0−1023. После шестнадцати конфликтов контроллер отказывается от дальнейших попыток передать кадр и сообщает об этом компьютеру. Все дальнейшие действия по выходу из сложившейся ситуации осуществляются под руководством протоколов верхнего уровня. Такой алгоритм позволяет разрешить коллизии, когда конфликтующих станций немного.

Обнаружение конфликтов основано на сравнении посланных сигналов и сигналов других рабочих станций. Аппаратное обеспечение станции должно во время передачи «прослушивать» кабель для определения факта коллизии. Если сигнал, который станция регистрирует, отличается от передаваемого ею, значит, произошла коллизия. Поэтому, должен существовать механизм, позволяющий различать сигналы в кабеле. Этот механизм был найден — им стало манчестерское кодирование и дифференциальное манчестерское кодирование сигнала.

При манчестерском кодировании каждый интервал времени, в течение которого происходит передача одного бита, разделяется на две половинки. Единичный бит кодируется высоким напряжением в первой половине и низким напряжением во второй. Нулевой бит кодируется противоположным образом. Изменение напряжения в середине интервала облегчает принимающей стороне синхронизацию с передающей станцией.

Дифференциальное манчестерское кодирование представляет собой разновидность обычного манчестерского кодирования. В этом случае единичный бит характеризуется отсутствием изменения напряжения (напряжения в обеих половинках равны). Изменение напряжения в начале бита означает, что это нулевой бит.

Недостатком схемы дифференциального манчестерского кодирования является необходимость удвоения ширины полосы пропускания по сравнению с прямым кодированием. Однако, вследствие своей простоты, манчестерское кодирование используется в стандарте 802.3. Уровни высокого и низкого напряжения составляют +0.85 В и -0.85 В. Прямое двоичное кодирование построено на кодировании нулевого бита нулевым напряжением (0 В) и единичного бита ненулевым напряжением (5 В).

Следует отметить, что минимальная допустимая длина кадров Ethernet составляет 64 байта, а максимальная — 1518 байт. Так как на служебную информацию в кадре отводится 18 байт, то поле «Данные» может иметь длину от 46 до 1500 байт. Если передаваемые по сети данные меньше допустимой минимальной длины, кадр будет автоматически дополняться до 46 байт.

Алгоритм передачи кадра по протоколу CSMA/CD представлен на рисунке 1.

• 1. Станция, собравшаяся передавать, прослушивает среду. И передает, если среда свободна. В противном случае (т.е. если среда занята) переходит к шагу 2. При передаче нескольких кадров подряд станция выдерживает определенную паузу между посылками кадров — межкадровый интервал, причем после каждой такой паузы перед отправкой следующего кадра станция вновь прослушивает среду (возвращение на начало шага 1);
• 2. Если среда занята, станция продолжает прослушивать среду до тех пор, пока среда не станет свободной, и затем сразу же начинает передачу;
• 3. Каждая станция, ведущая передачу прослушивает среду, и в случае обнаружения коллизии, не прекращает сразу же передачу, а сначала передает короткий специальный сигнал коллизии — jam-сигнал, информируя другие станции о коллизии, и прекращает передачу;
• 4. После передачи jam-сигнала станция замолкает и ждет некоторое произвольное время в соответствии с правилом бинарной экспоненциальной задержки и затем возвращаясь к шагу 1.

Рисунок 1 — Алгоритм передачи по протоколу CSMA/CD.

Алгоритм приема кадра по протоколу CSMA/CD представлен на рисунке 2.

Рисунок 2 — Алгоритм приема по протоколу CSMA/CD.

Принимающая станция или другое сетевое устройство, например, концентратор или коммутатор первым делом синхронизируется по преамбуле и затем преобразовывает манчестерский код в бинарную форму (на физическом уровне). Далее обрабатывается бинарный поток.

На уровне MAC оставшиеся биты преамбулы сбрасываются, а станция читает адрес назначения и сравнивает его со своим собственным. Если адреса совпадают, то поля кадра за исключением преамбулы, SDF и FCS помещаются в буфер и вычисляется контрольная сумма, которая сравнивается с полем контрольной последовательности кадра FCS (используется метод циклического суммирования CRC-32). Если они равны, то содержимое буфера передается протоколу более высокого уровня. В противном случае кадр сбрасывается. Возникновение коллизии при приеме кадра обнаруживается либо по изменению электрического потенциала, если используется коаксиальный сегмент, либо по факту приема дефектного кадра, неверная контрольная сумма, если используется витая пара или оптическое волокно. В обоих случая принятая информация сбрасывается.