Funkcjonowanie sieci Ethernet
Taktowanie w sieci Ethernet

Podstawowe zasady i specyfikacje prawidłowego funkcjonowania sieci Ethernet nie są szczególnie złożone, choć niektóre z szybszych implementacji warstwy fizycznej takimi się stają. Mimo podstawowej prostoty działania sieci Ethernet, jeśli pojawi się w niej problem, wyizolowanie jego źródła często nastręcza trudności. Z powodu powszechnie stosowanej w technologii Ethernet architektury magistrali, opisywanej również jako rozproszony pojedynczy punkt awarii, problem zasięgiem swym obejmuje zwykle wszystkie urządzenia wewnątrz domeny kolizyjnej. W sytuacjach, gdy wykorzystywane są wtórniki, zasięg ten może rozszerzać się na urządzenia umieszczone w odległości do czterech segmentów.

Każda mająca nadać wiadomość stacja w sieci Ethernet najpierw „nasłuchuje", aby upewnić się, że żadna inna stacja nie nadaje w tym momencie. Jeśli w kablu jest cisza, stacja taka natychmiast zaczyna nadawać. Przesyłanie sygnału elektrycznego po kablu zabiera pewien czas (zwany opóźnieniem), a każdy kolejny wtórnik wprowadza dodatkowe, niewielkie opóźnienie przy przekazywaniu ramki z jednego portu do kolejnego. W wyniku tych opóźnień może się zdarzyć, że więcej niż jedna stacja zacznie nadawanie niemal w tym samym czasie. Rezultatem tego jest kolizja.

Jeśli podłączona stacja pracuje w trybie pełnego dupleksu, to może ona równocześnie wysyłać i odbierać, a kolizje nie powinny się pojawiać. Praca w trybie pełnego dupleksu zmienia również uwarunkowania dotyczące taktowania i eliminuje pojęcie szczeliny czasowej. Praca w trybie pełnego dupleksu pozwala na budowę większych sieci, ponieważ usunięto ograniczenia czasowe nałożone w celu wykrycia kolizji.

W trybie półdupleksu, przy założeniu, że nie występuje kolizja, stacja nadawcza transmituje 64 bity informacji synchronizacyjnej znane jako preambuła. Stacja nadawcza wysyła wtedy następujące informacje:

  • informacje o adresowaniu MAC nadawcy i odbiorcy;
  • pewne inne informacje nagłówka;
  • właściwą, zasadniczą treść danych;
  • sumę kontrolną (FCS) używaną do upewnienia się, czy wiadomość nie została po drodze uszkodzona.

Stacje odbierające ramkę przeliczają sumę FCS, aby ustalić, czy przychodząca wiadomość jest poprawna, a następnie przekazują poprawną wiadomość do następnej, wyższej warstwy w stosie protokołów.

Wersje technologii Ethernet pracujące z szybkością 10 Mb/s i wolniejsze są asynchroniczne. Asynchroniczność oznacza, że każda stacja odbierająca wykorzystuje osiem oktetów informacji taktowania do zsynchronizowania obwodu odbiorczego dla nadchodzących danych, po czym odrzuca je. Implementacje technologii Ethernet pracujące z szybkością 100 Mb/s i szybsze są synchroniczne. Synchroniczność oznacza, że informacja taktowania nie jest wymagana, lecz dla utrzymania zgodności pole preambuły i znacznik początku ramki (SFD) są obecne.

We wszystkich odmianach technologii Ethernet o szybkości transmisji nieprzekraczającej 1000 Mb/s standard wyznacza minimalny czas pojedynczej transmisji nie krótszy niż szczelina czasowa. Szczelina czasowa dla technologii Ethernet 10 i 100 Mb/s jest równa czasowi transmisji 512 bitów (czyli 64 oktetów). Szczelina czasowa dla technologii Ethernet 1000 Mb/s jest równa czasowi transmisji 4096 bitów (czyli 512 oktetów). Szczelina czasowa jest obliczana przy założeniu maksymalnych długości kabli w największej dopuszczalnej architekturze sieciowej. Wszystkie czasy opóźnień propagacji sprzętowej są na poziomie dopuszczalnego maksimum, a gdy zostanie wykryta kolizja, używana jest 32-bitowa sekwencja zakłócająca.

Rzeczywista obliczona szczelina czasowa jest nieco dłuższa niż teoretyczna ilość czasu wymagana do przebycia drogi pomiędzy najdalszymi punktami domeny kolizyjnej, zderzenia się z inną transmisją w ostatnim możliwym momencie, powrotu fragmentów kolizyjnych do stacji wysyłającej i ich wykrycia. Aby system działał, pierwsza stacja musi dowiedzieć się o kolizji zanim zakończy wysyłanie ramki o najmniejszym dopuszczalnym rozmiarze. Aby umożliwić działanie sieci Ethernet 1000 Mb/s w trybie półdupleksu, przy wysyłaniu krótkich ramek dodano pole rozszerzenia służące jedynie do utrzymania urządzenia transmitującego w stanie zajętości na tyle długo, by mogły wrócić fragmenty kolizyjne. Pole to jest obecne tylko przy szybkości 1000 Mb/s w przypadku łączy pracujących w trybie półdupleksu, po to, aby ramki o minimalnym rozmiarze były wystarczająco długie, by móc sprostać wymaganiom szczeliny czasowej. Bity rozszerzenia są odrzucane przez stację odbierającą.

W technologii Ethernet 10 Mb/s transmisja jednego bitu w warstwie MAC trwa 100 nanosekund (ns). Przy szybkości 100 Mb/s transmisja tego samego bitu trwa 10 ns, a przy szybkości 1000 Mb/s trwa ona tylko 1 ns. W przybliżonych szacunkach często wykorzystywana jest wartość 20,3 cm (8 cali) na nanosekundę do obliczania opóźnienia propagacji w kablu UTP. Oznacza to, że w 100 metrach kabla UTP przesłanie sygnału 10BASE-T na całej długości przewodu trwa krócej niż czas transmisji pięciu bitów.

Dla funkcjonowania metody CSMA/CD stosowanej w sieciach Ethernet konieczne jest, aby stacja wysyłająca wiedziała o wystąpieniu kolizji zanim zostanie zakończona transmisja ramki o minimalnym rozmiarze. Przy szybkości 100 Mb/s taktowanie systemu jest ledwie w stanie obsłużyć sieci o długości kabla równej 100 metrów. Przy szybkości 1000 Mb/s wymagane są specjalne korekty, gdyż prawie cała ramka o minimalnym rozmiarze zostałaby wysłana, zanim pierwszy bit pokonałby pierwsze 100 metrów kabla UTP. Z tego powodu tryb półdupleksu nie jest dozwolony w technologii 10 Gigabit Ethernet.


Ćwiczenie interaktywne

Przeciągnij i upuść: Taktowanie w sieci Ethernet

Po wykonaniu tego ćwiczenia uczestnik kursu będzie potrafił określić czasy transmisji bitu w technologii Ethernet o różnych szybkościach.

Łącza WWW