Физический уровень сети Ethernet
Наиболее распространенное на текущий момент семейство протоколов, на основе которого строятся локальные сети и Интернет – это семейство Ethernet, определяемое различными итерациями стандарта IEEE 802.3. Внутри этого семейства существуют десятки различных протоколов, однако они обладают общими характеристиками, которые, в основном, и будут обсуждаться.
Протоколы Ethernet являются протоколами первых двух уровней, поскольку определяют перевод информации в физическую форму и упаковку этой информации.
Начнем с обсуждения физического уровня, и дальше будем строить вверх.
Топология сети
Физический носитель может быть использован по-разному. Способы соединения узлов сети называются топологией сети. Основные варианты топологий:
- Точка-точка
- Шина
- Кольцо
- Звезда
- Меш (сетка)
Топологии точка-точка используются в конвенциональной телефонии (телефонную “лапшу” видели? вот об этом речь). Основная идея в том, что два узла сети содединяются при помощи механических переключателей практически напрямую. Такой вариант очевидно не позволяет поддерживать связь с несколькими узлами одновременно. Топология шины решает эту проблему: при этом все узлы сети передают данные через один и тот же носитель. Это позволяет, во-первых, экономить на носителе, а во-вторых, передавать данные нескольким узлам без механического переключения канала связи. Однако возникает проблема коллизий: два узла не могут передавать данные одновременно. Эта проблема становится значительной при росте количества узлов. К тому же, физические повреждения проводника часто приводили к неработоспособности всей сети, и поиск подобных повреждений становился весьма утомительным процессом. Топология кольца является некоторой вариацией топологии шины. Эта топология не использовалась в стандарте Ethernet, однако отчасти решала проблемы топологии шины, например в протоколе Token Ring. Топология звезды предполагает наличие центрального переключателя или хаба, с которым соединен каждый узел сети. Это отчасти решает проблему поиска физических повреждений на шине и, при использовании управляемых переключателей, позволяет решить проблему коллизий. Топология сетки это вариант, наиболее подходящий для случаев беспроводной свзяи, когда узлы эффективно расширяют область покрытия за счет соединения между собой. Сравнительно недавно такая топология стала популярна в роботехнике для связи между “роями” маленьких роботов, и часто говорят о возможности построения меш-сети при помощи персональных устройств связи (мобильных телефонов).
Пара слов о разнице между хабом и свитчем: хаб является активным либо пассивным “повторителем”, который просто транслирует сигнал, пришедший на одном из подключений, на все остальные. Программируемые переключатели (свитчи) стараются передавать информацию только туда, куда она должна уйти – то есть производит рудиментарную маршрутизацию на основе физических адресов.
Физический носитель
В качестве физического носителя для сетей Ethernet выступает либо коаксиальный кабель (этот вариант был очень популярен в первых версиях), либо витая пара (очень популярный сейчас вариант), либо оптический кабель (встречается не слишком часто, существуют другие протоколы для оптических сетей).
Коаксиальный кабель представляет из себя тонкий медный проводник, завернутый в слой изолятора, сверху оплетенный другим проводником (или аллюминиевой фольгой), так же завернутый в (более тонкий) слой изолятора. Поскольку по сути структура кабеля представляет соосные цилиндры, кабель называется коаксиальным (соосным).
Основные стандарты, использующие коаксиальный кабель – это 10BASE5 (“Толстый Ethernet”) и 10BASE2 (“Тонкий Ethernet”). Они отличались максимальной длиной проводника (коаксиального кабеля) и его толщиной. 10BASE5 мог иметь длину до 500 м, а 10BASE2, соответственно, до 200. Цифра 10 относится к максимальной пропускной способности – 10 Мбит/c. Оба этих стандарта предполагали топологию шины.
Витая пара, практически повсеместно используемая сегодня, используется стандартами семейства Fast Ethernet, а так же стандартом 1BASE5 из семейства Ethernet, который, хотя и практически не использовался, но предполагал топологию звезды и активные хабы – то, что сейчас используется практически повсеместно. Его естественным развитием стал стандарт 10BASE-T, отличавшийся кодированием информации и более быстрой скоростью работы (10 Мбит/c).
Основной стандарт Fast Ethernet, используемый сейчас – 100BASE-TX (другие близкие варианты 100BASE-T2 и 100BASE-T4 практически не используются, поэтому его неформально часто обозначают как 100BASE-T). Fast Ethernet имеет пропускную способность 100 Мбит/c.
10BASE5/2
Использование топологии шины и коаксиального кабеля требовало подключения на концах кабеля “терминаторов” – специальных сопротивлений, гасивших отражения электромагнитных волн от концов проводника. Как можно догадаться, при обрыве кабеля, на оборванных концах терминаторов не было, поэтому, как правило, вся сеть переставала работать. При не столь сильных повреждениях кабеля, пропускная способность сети резко падала, а иногда и вовсе пропадала, либо сеть разделялась на несколько изолированных сегментов, ввиду падения максимальной дальности передачи.
Узлы сети – компьютеры – подключались при помощи коннекторов-“вампиров”, которые физически прокалывали внешний и внутренний слои изоляции коаксиального кабеля. Неаккуратное подключение легко приводило к проблемам во всей сети.
Как уже упоминалось, максимальная пропускная способность составляла 10 Мбит/c. Однако при большом числе узлов (несколько десятков) пропускная способность падала ниже плинтуса, в связи с коллизиями.
Так же присутствовала сложность в том, что невозможно было одновременно принимать и передавать данные, в результате чего эффективная пропускная способность составляла в лучшем случае 5-7 Мбит/c.
100BASE-TX
Современный вариант Ethernet (хотя уже устаревающий). Использует витую пару (8-жильную, 5 или 6 категории) и топологию звезды.
Из 8 жил витой пары на самом деле используются только 4: два для приема и два для передачи.
Стандартный коннектор для витой пары – 8P8C 1 (иногда неверно называемый RJ45 2 ), имеет 8 выводных контактов, которые нумеруются от 1 до 8.
Стандартная разводка витой пары на 8P8C использует контакты 1 и 2 для передачи и 3 и 6 для приема на узлах, и наоборот, 1 и 2 для приема и 3 и 6 для передачи на разветвителях (хабах или свитчах). По сути это приводит к существованию двух равноправных стандартов обжимки, T568A и T568B соответственно. Кабель, обжатый по-разному с разных сторон называется перекрестным (“кросс-овером”). Большинство современных устройств автоматически определяют, используется ли перекретсный кабель и работают в любом случае. Раньше же для соединения двух компьютеров или двух свичтей/хабов напрямую было необходимо использовать перекрестный кабель, в то время как для соединения компьютера со свитчем/хабом – только прямой.
Пары в кабеле витой пары кодируются цветом:
| № пары | Цвет |
|---|---|
| 1 | синий |
| 2 | оранжевый |
| 3 | зеленый |
| 4 | коричневый |
| № | Цвет | № пары |
|---|---|---|
| 1 | бело-зеленый | 3 |
| 2 | зеленый | 3 |
| 3 | бело-оранжевый | 2 |
| 4 | синий | 1 |
| 5 | бело-синий | 1 |
| 6 | оранжевый | 2 |
| 7 | бело-коричневый | 4 |
| 8 | коричневый | 4 |
| № | Цвет | № пары |
|---|---|---|
| 1 | бело-оранжевый | 2 |
| 2 | оранжевый | 2 |
| 3 | бело-зеленый | 3 |
| 4 | синий | 1 |
| 5 | бело-синий | 1 |
| 6 | зеленый | 3 |
| 7 | бело-коричневый | 4 |
| 8 | коричневый | 4 |
1000BASE-T
Стандарт появился в 1999, и постепенно вытесняет 100BASE-TX. 1000BASE-T поддерживает передачу данных на скорости до 1 Гбита/с 3 . Стандарт 1000BASE-T использует медную витую пару, и все четыре пары для передачи данных, и использует кабели 5-й категории и выше. Существует вариант стандарта 1000BASE-TX, который использует две пары, но требует кабеля 6-й категории и выше. Он слабо распространен.
- 8 позиций, 8 контактов. Другие разъемы той же серии включают “телефонные” разъемы 6P4C и 6P2C и другие.↩︎
- стандарт RJ45 (точнее RJ45S) использует разъём 8P8C с ключом, который физически не совместим со стандартным разъёмом 8P8C↩︎
- В данном случае гигабит – это 1 000 000 000 бит. Это примерно 120 мебибайт в секунду.↩︎
Коаксиальные кабели
Коаксиальный кабель представляет собой электрический кабель, состоящий из центрального медного провода и металлической оплетки (экрана), разделенных между собой слоем диэлектрика (внутренней изоляции) и помещенных в общую внешнюю оболочку (рис. 3).
Рис. 3. Коаксиальный кабель
Коаксиальный кабель до недавнего времени был очень популярен, что связано с его высокой помехозащищенностью (благодаря металлической оплетке), более широкими, чем в случае витой пары, полосами пропускания (свыше 1ГГц), а также большими допустимыми расстояниями передачи (до километра ). К нему труднее механически подключиться для несанкционированного прослушивания сети, он дает также заметно меньше электромагнитных излучений вовне. Однако монтаж и ремонт коаксиального кабеля существенно сложнее, чем витой пары, а стоимость его выше (он дороже примерно в 1,5 – 3 раза). Сложнее и установка разъемов на концах кабеля. Сейчас его применяют реже, чем витую пару. Стандарт EIA/TIA-568 включает в себя только один тип коаксиального кабеля, применяемый в сети Ethernet.
Основное применение коаксиальный кабель находит в сетях с топологией ти-па шина. При этом на концах кабеля обязательно должны устанавливать-ся терминаторы для предотвращения внутренних отражений сигнала, причем один (и только один!) из терминаторов должен быть заземлен. Без заземления металлическая оплетка не защищает сеть от внешних электромагнитных помех и не снижает излучение передаваемой по сети информации во внешнюю среду. Но при заземлении оплетки в двух или более точках из строя может выйти не только сетевое оборудование, но и компьютеры, подключенные к сети.
Терминаторы должны быть обязательно согласованы с кабелем, необходимо, чтобы их сопротивление равнялось волновому сопротивлению кабеля. Например, если используется 50-омный кабель, для него подходят только 50-омные терминаторы.
Реже коаксиальные кабели применяются в сетях с топологией звезда (например, пассивная звезда в сети Arcnet). В этом случае проблема согласования существенно упрощается, так как внешних терминаторов на свободных концах не требуется.
Волновое сопротивление кабеля указывается в сопроводительной документации. Чаще всего в локальных сетях применяются 50-омные (RG-58, RG-11, RG-8) и 93-омные кабели (RG-62). Распространенные в телевизионной технике 75-омные кабели в локальных сетях используются редко. Марок коаксиального кабеля немного. Он не считается особо перспективным. Не случайно в сети FastEthernet не предусмотрено применение коаксиальных кабелей. Однако во многих случаях классическая шинная топология (а не пассивная звезда) очень удобна. Как уже отмечалось, она не требует применения дополнительных устройств – концентраторов.
Существует два основных типа коаксиального кабеля:
• тонкий (thin) кабель, имеющий диаметр около 0,5 см, более гибкий;
• толстый (thick) кабель, диаметром около 1 см, значительно более жесткий. Он представляет собой классический варианткоаксиального кабеля, который уже почти полностью вытеснен современным тонким кабелем.
Тонкий кабель используется для передачи на меньшие расстояния, чем толстый, поскольку сигнал в нем затухает сильнее. Зато с тонким кабелем гораздо удобнее работать: его можно оперативно проложить к каждому компьютеру, а толстый требует жесткой фиксации на стене помещения.
Подключение к тонкому кабелю (с помощью разъемов BNC байонетного типа) проще и не требует дополнительного оборудования. А для подключения к толстому кабелю надо использовать специальные довольно дорогие устройства, прокалывающие его оболочки и устанавливающие контакт как с центральной жилой, так и с экраном. Толстый кабельпримерно вдвое дороже, чем тонкий, поэтому тонкий кабель применяется гораздо чаще.
Как и в случае витых пар, важным параметром коаксиального кабеля является тип его внешней оболочки. Точно так же в данном случае применяются как non-plenum (PVC), так и plenum кабели. Естественно, тефлоновый кабель дороже поли-винилхлоридного. Обычно тип оболочки можно отличить по окраске (например, для PVC кабеля фирма Belden использует желтый цвет, а для тефлонового – оранжевый).
Типичные величины задержки распространения сигнала в коаксиальном кабеле составляют для тонкого кабеля около 5 нс/м, а для толстого – около 4,5 нс/м.
Существуют варианты коаксиального кабеля с двойным экраном (один экран расположен внутри другого и отделен от него дополнительным слоем изоляции). Такие кабели имеют лучшую помехозащищенность и защиту от прослушивания, но они немного дороже обычных.
В настоящее время считается, что коаксиальный кабель устарел, в большинстве случаев его вполне может заменить витая параили оптоволоконный кабель. И новые стандарты на кабельные системы уже не включают его в перечень типов кабелей.