Физический уровень ЛВС Ethernet

Кабельная система сети Ethernet является коммуникационной средой, по которой перемещаются кадры данных. Стандарт физического уровня содержит описание (спецификации) кабелей различных типов, пригодных для реализации сетей с методом доступа CSMA/CD. Обозначение спецификаций физического уровня в соответствии со стандартом 802.3:

где <СП>- скорость передачи в Мбит/с - может принимать значения 10, 100, 1000, а в случае гигабитных скоростей - 1G, 10G, 4G, ...;

Base- метод передачи, означающий основополосную передачу (Baseband); <ТК> - тип кабеля:

• 2 - тонкий коаксиальный;

• 5 - толстый коаксиальный;

• Т - витая пара (Twisted pair);

• F - волоконно-оптический (Fiber); ....

Осноеополосная (прямая, немодулированная) передача (baseband) - метод передачи данных, при котором цифровой сигнал направляется непосредственно в среду передачи без модуляции несущей, при этом вся полоса пропускания используется для передачи только одного цифрового сигнала. Этот метод удобен для передачи данных по каналам с широкой полосой пропускания на небольшие расстояния и характеризуется простотой и дешевизной реализации, в связи с чем широко используется в ЛВС.

Широкополосная передача (broadband) - метод передачи данных, основанный на частотном FDM, временном TDM или волновом WDM уплотнении и создании нескольких частотных или временных каналов, по которым независимо друг от друга могут передаваться несколько потоков данных.

Для всех вариантов физического уровня технологии Ethernet, обеспечивающих пропускную способность 10 Мбит/с, используется манчестерское кодирование.

Спецификация 1OBase-5

10Base-5 - стандарт физического уровня, являющийся частью стандарта IEEE 802.3 и описывающий работу сети Ethernet на толстом коаксиальном кабеле (thick Ethernet), используемом в качестве основной магистрали.

На рис.3.11 показан сегмент ЛВС Ethernet на толстом коаксиальном кабеле. Рабочие станции подключаются к магистральному кабелю с помощью трансиверного кабеля, состоящего из 4-х витых пар длиной до 50 м, и приемопередатчика (трансивера), расположенного непосредственно на коаксиальном кабеле. Трансивер представляет собой электрическое устройство, осуществляющее физическую передачу и приём данных.

Расстояние между соседними трансиверами должно быть кратно 2,5 м для исключения влияния стоячих волн в кабеле на качество передачи сигнала. На концах магистрального кабеля располагаются терминаторы, поглощающие распространяющийся в кабеле информационный сигнал и препятствующие возникновению отражённого сигнала, искажающего полезный сигнал.

Несмотря на громоздкость и трудности при разводке, такая кабельная система позволяет строить достаточно протяженные сети.

Таким образом, основные ограничения для одного сегмента ЛВС Ethernet в соответствии со спецификацией 10Base-5 имеют вид:

• максимальная длина сегмента (расстояние между крайними узлами) - 500 м;

• минимальное расстояние между трансиверами - 2,5 м;

• максимальное число узлов (трансиверов) на сегменте - 100;

• максимальная длина трансиверного кабеля - 50 м.

Стандарт 10Base-5 допускает построение многосегментных сетей с использованием повторителей. На рис.3.12 показана двухсегментная сеть. Максимальное количество сегментов в сети, допускаемое стандартом, равно 5. Это ограничение обусловлено тем, что повторители только усиливают сигналы, не восстанавливая их форму, что при большом количестве сегментов в сети может привести к появлению значительного процента ошибок.

При построении многосегментной сети необходимо учитывать следующие ограничения (рис.3.13):

• сеть может состоять из 5 сегментов, соединенных через повторители;

• в трёх сегментах можно подключать к кабелю до 100 узлов; два других сегмента используются только для увеличения общей протяженности сети;

• повторитель рассматривается как специальный узел, подключенный к сети, поэтому в центральном сегменте с двумя повторителями допускается иметь только 98 станций.

Правило построения многосегментнои сети с такими ограничениями получило название «5-4-3», означающее 5 сегментов соединяются с помощью 4-х повторителей, причём нагруженными являются только 3 сегмента.

Таким образом, одна сеть Ethernet 10Base-5:

• может содержать не более 296 узлов (рабочих станций);

• иметь диаметр (максимальную длину кабеля) - не более 2,5 км.

Спецификация 10Base-2

10Base-2 - стандарт физического уровня, утвержденный комитетом IEEE 802.3, описывающий работу сети Ethernet на тонком коаксиальном кабеле (thin Ethernet - тонкий Ethernet, иначе ещё называемый Cheapernet - дешевый Ethernet).

Согласно этой спецификации недопустимо использование отводов к рабочим станциям. Станции подключаются непосредственно к основной магистрали через Т-образные BNC-разъемы (рис.3.14). Таким образом,

тонкий коаксиальный кабель проходит через сетевые адаптеры всех станций. В остальном, принципы и правила построения одно- и многосегментных ЛВС на тонком и толстом коаксиальном кабеле аналогичны. Отличие - только в ограничениях на размер сети и количество станций.

Основные ограничения для ЛВС Ethernet в соответствии со спецификацией 10Base-2 имеют вид:

• максимальная длина сегмента (расстояние между крайними узлами) - 185 м;

• максимальное число узлов на сегменте - 30;

• минимальное расстояние между узлами -1м;

• многосегментная сеть строится по правилу «5-4-3»: максимально 5 сегментов, 4 повторителя, причём нагруженными являются 3 сегмента;

• в каждом из трёх (средний и два крайних) сегментов можно подключать к кабелю до 30 узлов (рис.3.15);

• два других сегмента используются только для увеличения общей протяженности сети, к ним нельзя подсоединять станции;

• повторитель рассматривается как специальный узел, подключенный к сети, поэтому в сети с двумя повторителями допускается иметь только 28 станций.

Таким образом, одна сеть Ethernet 10Base-2:

> может содержать не более 86 узлов;

> иметь диаметр (максимальную длину кабеля) - не более 925 м.

Спецификация 1OBase-Т

Спецификация 10Base-T, добавленная к стандарту 802.3 в конце 1991 года, описывает сеть Ethernet с топологией типа "звезда" и кабельной системой на основе неэкранированной витой пары. Согласно спецификации 10Base-T сегментом сети является кабель, соединяющий рабочую станцию и концентратор. Это означает, что к каждому сегменту может быть подключено лишь два устройства: станция и концентратор (рис.3.16), а количество сегментов равно количеству подключённых к

концентратору станций. _______________________

Однако ниже при рассмотрении многосегментных сетей для устранения неоднозначности под сегментом сети Ethernet 10Base-T будем понимать концентратор со всеми подключёнными к нему станциями, то есть сеть, показанную на рис.3.16, будем условно считать односегментной сетью. Многосегментная сеть будет представлять собой объединение нескольких концентраторов с подключёнными к ним станциями (рис.3.17).

В отличие от рассмотренных выше спецификаций 10Base-5 и lOBase-2, при построении многосегментной сети Ethernet 10Base-T вместо правила «5-4-3» используется правило «4-х хабов», которое гласит, что между любыми двумя станциями в сети должно быть не более 4-х концентраторов (хабов).

Основные ограничения для ЛВС Ethernet в соответствии со спецификацией 10Base-T имеют вид:

• максимальная длина кабеля (между концентратором и рабочей станцией или между двумя концентраторами) - 100 м (рис.3.17);

• число концентраторов между любыми станциями - не более 4;

• максимальный диаметр сети - 500 м (рис.3.18);

• максимальное количество станций в сети - 1024.

Отметим, что максимальное количество станций в ЛВС Ethernet, равное 1024, может быть достигнуто только для спецификации 10Base-T за счёт применения 32-х портовых концентраторов (рис.3.19). В то же время для сетей, построенных на коаксиальном кабеле (10Base-5 и 10Base-2), это значение не достижимо.

Благодаря меньшей стоимости кабельной системы и возможности построения сетей с максимально допустимым количеством станций, сети 10Base-T получили доминирующее положение на рынке и практически полностью вытеснили сети, построенные на коаксиальном кабеле.

Спецификация 10Base-F

10Base-F - совокупность стандартов физического уровня, описывающих работу сети Ethernet на волоконно-оптическом кабеле с пропускной способностью 10 Мбит/с. В качестве среды передачи данных в оптоволоконной сети Ethernet используется многомодовый волоконно-оптический кабель (ВОК).

Структурная организация сети аналогична стандарту 10Base-T: сетевые адаптеры рабочих станций соединяются с многопортовым повторителем (концентратором) с помощью ВОК и образуют физическую топологию «звезда».

10Base-F включают в себя следующие стандарты.

1. Стандарт FOIRL(Fiber Optic Inter-Repeater Link):

• длина оптоволоконного кабеля между повторителями - до 1 км;

• максимальное число повторителей - 4;

• максимальный диаметр сети - 2500 м.

2. Стандарт 10Base-FL(Fiber Link)- улучшенный вариант стандарта
FOIRL, заключающийся в увеличении мощности передатчиков, за счёт
чего максимальное расстояние между узлом и повторителем может
достигать 2000 м, при этом:

• максимальное число повторителей - 4;

• максимальный диаметр сети - 2500 м.

3. Стандарт 10Base-FB(Fiber Backbone) предназначен только для
объединения повторителей в магистраль, при этом:

• между узлами сети можно установить до 5 повторителей стандарта 10Base-FB;

• максимальная длина одного сегмента - 2000 м;

• максимальный диаметр сети - 2740 м.

В отличие от ранее рассмотренных сетей, повторители, используемые в ЛВС Ethernet 10Base-FB, при отсутствии кадров для передачи обмениваются специальными последовательностями сигналов, что позволяет постоянно поддерживать синхронизацию в сети. Поэтому ЛВС, построенную по стандарту 10Base-FB, называют «синхронный Ethernet». Благодаря меньшим задержкам при передаче данных из одного сегмента в другой, количество повторителей увеличено до 5.

В табл.3.2 сведены основные параметры стандартов оптических сетей Ethernet 10Base-F.

Таблица 3.2