В чем разница между типами промышленного ethernet?

Simplex, Half Duplex, Full Duplex[править]

Определение:
Симплексная передача передача, которая происходит только в одном направлении.
Определение:
Полудуплексная передача передача, которая возможна в двух направлениях, но в один момент времени только в одном из них.
Определение:
Полнодуплексная передача передача, которая возможна в двух направлениях в любой момент времени.

Симплексное соединение используют многие, если не все оптоволоконные соединения. Или, например, dial-up модемы.

Полудуплексный режим используется в некоммутируемом Ethernet и описан в IEEE 802.3. Вообще, это довольно распространенный режим для соединений с какой-то разделяемой средой (общей шиной в Ethernet).

Полнодуплексный режим используется в коммутируемом Ethernet и описан в IEEE 802.3u. При полнодуплексной передаче используется топология «точка-точка». Коллизии в этом случае не происходят, так как отправка и получение данных происходит по разным проводам.

Домен коллизий, образуемый компьютером и портом коммутатора

Коллизия возникает, когда передатчики порта коммутатора и сетевого адаптера одновременно или почти одновременно начинают передачу своих кадров, считая, что изображенный на рисунке сегмент свободен. В результате строгого соблюдения правил разделения среды по протоколу Ethernet порт коммутатора и сетевой адаптер используют соединяющий их кабель в полудуплексном режиме, то есть по очереди — сначала кадр или кадры передаются в одном направлении, а затем в другом. При этом максимальная производительность сегмента Ethernet в 14880 кадров в секунду при минимальной длине кадра делится между передатчиком порта коммутатора и передатчиком сетевого адаптера. Если считать, что она делится пополам, то каждому предоставляется возможность передавать примерно по 7440 кадров в секунду.

Способность оборудования работать с максимальной скоростью в каждом направлении использовали разработчики коммутаторов в своих нестандартных реализациях технологий, получивших название полнодуплексных версий Ethernet.

После опробования полнодуплексной технологии на соединениях коммутатор-коммутатор разработчики реализовали ее и в сетевых адаптерах, в основном адаптерах Ethernet и Fast Ethernet. Многие сетевые адаптеры сейчас могут поддерживать оба режима работы, отрабатывая логику алгоритма доступа CSMA/CD при подключении к порту концентратора и работая в полнодуплексном режиме при подключении к порту коммутатора.
Однако, необходимо осознавать, что отказ от поддержки алгоритма доступа к разделяемой среде без какой-либо модификации протокола ведет к повышению вероятности потерь кадров коммутаторами, а, следовательно, к возможному снижению полезной пропускной способности сети (по отношению к переданным данным приложений) вместо ее повышения.

Пример передачи сообщений в сети Ethernet

Данные в эфир передаются не однородным потоком, а блоками. Блоки эти на канальном уровне принято называть кадрами (frame ). Каждый кадр состоит из служебных и полезных данных. Служебные данные – это заголовок, в котором указаны MAC-адрес отправителя, MAC-адрес назначения, тип вышестоящего протокола и тому подобное, а так же контрольная сумма в конце кадра. В середине кадра идут полезные данные – собственно то, что передаётся по Ethernet.

Рисунок 6 — Пример передачи данных

Если кадр пришёл с ошибкой, его необходимо передать заново. Чем больше размер кадра, тем больше данных придётся передавать повторно при каждой ошибке. Плюс, пока интерфейс передаёт один большой кадр, остальные кадры вынуждены ждать в очереди. Поэтому передавать очень большие кадры не выгодно, и длинные потоки данных делятся на части между кадрами. С другой стороны, делать кадры короткими тоже не выгодно. В коротких кадрах почти весь объём будут занимать служебные данные, а полезных данных будет передано мало. Это характерно не только для Ethernet, но для многих других протоколов передачи данных. Поэтому для каждого стандарта существует свой оптимальный размер кадра, зависящий от скорости и надёжности сети. Максимальный размер полезной информации, передаваемой в одном блоке, называется MTU (maximum transmission unit). Для Ethernet он равен 1500 байт. То есть каждый Ethernet-кадр может нести не более 1500 байт полезных данных.

MAC-адреса и кадры позволяют разделить данные в общем Ethernet-эфире. Интерфейс обрабатывает только те кадры, MAC-адрес назначения которых совпадает с его собственным MAC-адресом. Кадры, адресованные другим получателям, интерфейс должен игнорировать. Достоинство такого подхода – простота реализации. Но есть и масса недостатков. Во-первых, проблемы безопасности. Любой может прослушать все данные, транслируемые в общий эфир. Во-вторых, эфир можно заполнить помехами. На практике, одна сбойная сетевая карта, постоянно отсылающая какие-то кадры, может повесить всю сеть предприятия. В-третьих, плохая масштабируемость. Чем больше компьютеров в сети, тем меньший кусочек эфира им достаётся, тем меньше эффективная пропускная способность сети.

В процессе работы сети Ethernet может возникнуть ситуация, когда сразу несколько передатчиков начнут передавать информацию одновременно. Для предотвращения данной ситуации и применяется метод обнаружения коллизий. Если одна из рабочих станций в процессе передачи обнаружит коллизию, т.е. одновременную передачу пакетов сразу от нескольких источников, то в первую очередь источник информации приостанавливает передачу. Далее он посылает в сеть специальный сигнал – «jam signal», который увеличивает вероятность обнаружения коллизии другими станциями, чтобы они также остановили процесс обмена информацией. Далее передатчик информации выжидает некоторое случайное время, после которого он снова пытается получить доступ в сеть. Если среда передачи будет занята, то интервал ожидания будет увеличен и так далее, до тех пор, пока среда не окажется свободный и информация не будет передана.

Как уже было сказано ранее, существует целое семейство протоколов, объединенных под общим название Ethernet: Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, 10G Ethernet и т.д. Разработкой данного стандарта в настоящее время занимается IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) и версии выходят под обозначением «802.3х». Одним из последних стандартов является 100 Gigabit Ethernet, который предусматривает скорость передачи до 100 Гбит/сек по оптическому волокну.
В сотовой связи стандарт Ethernet получил достаточно широкое распространение. Уже давно он используется для подключения различных элементов сети, установленных на одной площадке, либо в непосредственной близости друг к другу (до 100 метров), например MSС и HLR, BSC и транскодер.

С распространением оптоволоконных линий связи и появлением систем сотовой связи 3G, в частности UMTS, Ethernet начал применятся практически на всех интерфейсах в стыке с IP-протоколом: NodeB-RNC, RNC-MGW, RNC-SGSN и т.д. Широкое распространение данной технологии обусловлено в первую очередь высокой надежностью, быстротой развертывания и настройки, большого выбора маршрутизаторов и каналообразующего оборудования, а также достаточно высоких возможных скоростей передачи данных. Благодаря появлению стандартов 10G и 100G Ethernet данная технология получает широкие перспективы для применения в системах сотовой связи 4G, таких как LTE.

Совместимость

Кабели из категорий 6 и 7 поддерживают обратную совместимость. Однако они не дадут вам заявленных скоростей, если вы используете ISP (или маршрутизатор) с более медленными скоростями подключения. Проще говоря, если максимальная скорость интернета на маршрутизаторе составляет 100 Мбит/с, кабель Ethernet Cat 6 не сможет обеспечить скорость до 1000 Мбит/с.

Он, вероятно, даст вам соединение с меньшим ping и будет работать без задержек при интенсивных онлайн-играх, а также уменьшит помехи, которые возникли бы в результате падения сигнала. При покупке кабелей убедитесь, что они совместимы с указанными устройствами. Вы также должны быть уверены, что они не будут препятствовать скорости, но также не стоит перегибать палку. Например, приобретение кабеля Ethernet Cat 7 для старенького ноутбука – это неразумная инвестиция.

  1. Vandesail CAT7 Ethernet кабель Кабель оснащен разъемами RJ-45 с медным покрытием, которые обеспечивают стабильное, интерференционное соединение. Его плоская форма позволяет легко прокладывать его в труднодоступных местах, таких как углы и под ковролинами. Будучи одним из лучших Ethernet-кабелей, он подходит для PS4, ПК, ноутбука, маршрутизаторов и большинства других устройств. Он идеален для высокоскоростных онлайн игр или потоковой передачи 4K с медиасерверов.
  2. Кабель Ethernet Mediabridge CAT5e Это универсальный кабель. Благодаря разъему Rj45, который позволяет использовать его в большинстве стандартных портов. Он обеспечивает скорость до 10 Гбит/с, а ширина полосы пропускания – 550 МГц. Это кабель, на который можно положиться при потоковой передаче HD-видео в интернете. Он удовлетворит большинство повседневных потребностей в домашнем и офисном интернете.
  3. Xinca CAT6 Ethernet кабель Кабель имеет плоскую ультратонкую конструкцию толщиной 0,15 см, благодаря которой его можно спрятать под линолеумом и за мебелью. Разъем RJ45 обеспечивает универсальное подключение, что делает его одним из самых доступных и лучших Ethernet-кабелей для игр в PS4. Кабель гарантирует скорость 1 Гбит/с на частоте 250 МГц. Благодаря своей конструкции и отличным характеристикам, он будет соответствовать вашим эксплуатационным и эстетическим требованиям. XINCA CAT6 изготовлен из 100% чистой меди.
  4. TNP CAT7 Ethernet кабель Он обладает всеми стандартными характеристиками Ethernet-кабеля категории 7. Но это не главное его преимущество. Его гибкая конструкция и прочность сильно выделили его на фоне конкурентов. Кабель обеспечивает скорость соединения до 10 Гбит/с при полосе пропускания 600 МГц. Он был разработан известным брендом, который обещает бесперебойную передачу сигнала и обратную совместимость с CAT6, CAT5e и CAT5e.
  5. Кабель Ethernet Matters 160021 CAT6 Это доступная альтернатива для тех, кто ищет кабель Ethernet со скоростью до 10 Гбит/сек и считается лучшим для тех, кто хочет подключить сразу несколько устройств. Благодаря ему можно настроить офисный сервер, PoE-устройства, VoIP-телефоны, принтеры и ПК. Удобная конструкция без штепсельной вилки облегчает его отключение.

Как данные попадают к адресатам?

Чтобы прояснить ситуацию в вашей голове после прочитанного выше, разберем, как на канальном уровне информация распространяется из единого эфира к получателям. Ее обмен выполняется между сетевыми модулями, соединенными с сетью физически.

В современном подключении традиционно одно устройство предполагает один интерфейс. Но бывают случаи, когда у компьютера их несколько, к примеру, если установить в него пару сетевых контроллеров, подключенных к сети.

Каждый модуль в радиусе одной сети обладает уникальным номером — 48-битным MAC-адресом. Его нельзя изменить, так как он устанавливается производителем оборудования при выпуске. Адрес прописывается в 16-ричном виде. Первые 3 байта в нем указывают на изготовителя, а выдает их организация IEEE. Последнюю тройку байтов производитель выдает сам. Именно благодаря этому уникальному номеру пакеты данных узнают своего адресата.

Кстати, передаются они не сплошным потоком, а в неких блоках — кадрах. Их формат зависит от надежности и скорости сети. На то, сколько по максимуму информации поместится в один блок, указывает параметр MTU (maximum transmission unit). Наибольшим числом для стандартов Ethernet является 1500 байт. Из существующих форматов самым популярным сейчас является Version 2.

Инструкция

Сразу стоит отметить, что никем не осуществляется подключение интернета через телефон по технологии Ethernet. Само же подключение осуществляется следующим образом:

  1. Заходим во вкладку «Устройства».
  2. Нажимаем кнопку «Создать», которая находится на панели инструментов.
  3. Выбираем из доступных нам вариантов «Соединение Ethernet» (варианты располагаются в списке «Тип соединения»), после чего нажимаем кнопку «Вперед».
  4. Если ваша плата уже находится в списке оборудования, то в таком случае нужно выбрать ее из списка под оглавлением «Карта Ethernet». Если же ее нет в данном списке, то в таком случае нужно выбрать пункт «Другая карта Ethernet» для того, чтобы использовать доступное вам оборудование. Сразу стоит отметить тот факт, что установочная утилита полностью самостоятельно определяет, подключены ли поддерживаемые ею устройства Ethernet, поэтому предлагает вам их настройку. Если настройка осуществлялась вами в процессе установки, то в таком случае устройства будут показаны в списке во вкладке «Оборудование».
  5. Если был выбран вариант «Другая карта Ethernet», то после этого появится окно с оглавлением «Выберите адаптер». В данном окне вам нужно будет выбрать производителя, а также модель вашей платы и непосредственно само название устройства. Если устанавливается первая такая плата в компьютере, то в таком случае в качестве названия можно выбрать eth0, а впоследствии просто менять номер с каждой новой платой. Помимо этого, программа «Настройка сети» позволит вам также тщательно отрегулировать ресурсы вашей сетевой платы. После завершения всех процедур нажимаем «Вперед».
  6. В окне «Настроить параметры сети» вам нужно будет сделать выбор между статическим адресом IP, а также DHCP. В том случае, если вашим устройством получаются разные IP-адреса, при каждом последующем подключении к сети указывать имя узла не нужно. Снова нажимаем «Вперед».
  7. Теперь нажимаем «Применить» и пользуемся интернетом.

Справочная информация

ДокументыЗаконыИзвещенияУтверждения документовДоговораЗапросы предложенийТехнические заданияПланы развитияДокументоведениеАналитикаМероприятияКонкурсыИтогиАдминистрации городовПриказыКонтрактыВыполнение работПротоколы рассмотрения заявокАукционыПроектыПротоколыБюджетные организацииМуниципалитетыРайоныОбразованияПрограммыОтчетыпо упоминаниямДокументная базаЦенные бумагиПоложенияФинансовые документыПостановленияРубрикатор по темамФинансыгорода Российской Федерациирегионыпо точным датамРегламентыТерминыНаучная терминологияФинансоваяЭкономическаяВремяДаты2015 год2016 годДокументы в финансовой сферев инвестиционной

Канальный уровень Ethernet

Ethernet определяет слои физического уровня и каналы передачи данных в зависимости от назначения сети. Основным сетевым стандартом стал IEEE 802.3. физический уровень определяет электрические сигналы, метод передачи данных, медиа, типы разъемов и топологию сети. Для передачи данных может быть использовано оптическое волокно или витая пара. Существует четыре различных типа передачи данных с разными  скоростями:

Канальный уровень определяет метод доступа к среде. Полудуплексная связь сопряжена в шинной или звездообразной топологиях: 10/100Base-T, 10Base2, 10Base 5 и других. Они используют множественный доступ с прослушиванием несущей и обнаружением коллизий (CSMA/CD). Это позволяет нескольким узлам (компьютерам) иметь равный доступ к сети. Все узлы в сети Ethernet постоянно следят за передачей информации.

Узлы ожидают ответа сети до начала передачи данных. Когда они начинают передачу данных в одно и то же время сигналы перекрывают друг друга, что может привести к повреждению оригиналов. Когда узел обнаруживает, что другое устройство также пытается отправить данные, он определяет коллизию и прекращает передачу данных. Попытка возобновить передачу производится через некоторый интервал. Такой метод передачи данных позволяет просто добавлять или удалять узлы из сети.

После подключения узел начинает получать и передавать информацию по сети. Однако, в конечном итоге это может привести к уменьшению пропускной способности и увеличению числа коллизий. Это делает Ethernet вероятностной сетью. В дуплексных Ethernet сетях со связью точка-точка, таких как 10Base-FL или 100Base-FX, коллизии не являются проблемой. Это связано с тем, что присутствуют только два узла с возможностью раздельной передачи и приема данных. Это позволяет реализовать одновременную передачу и прием информации, что увеличивает скорость передачи в два раза.

Ethernet фрейм определяет формат сообщения данных, передаваемых по сети. Формат сообщения содержит несколько полей информации, в том числе данных, подлежащих передаче. Блок данных определяется как фактические данные, которые будут отправлены, и может содержать от 46 до 1500 байт двоичной информации. Длина блока данных определяется и включается в сообщении в качестве поля для приемника, чтобы определить, какая часть сообщения представляет собой данные.

MAC-адрес является шести байтовым двоичным номером набора, который включает в себя информацию источника и назначения для узлов. MAC-адрес включен в каждое сообщение и передается через сеть, а каждый узел сети Ethernet имеет уникальный MAC-адрес.

Канальный уровень определяет структуру кадра принимаемых или передаваемых сообщений. Коммутаторы, узлы  и концентраторы могут очень просто добавляться или извлекаться из сети, а эта технология позволяет легко диагностировать неисправности. Эти факторы сделали Ethernet подключения новым стандартом для сетевых промышленных решений. Функции слоев OSI обозначают, каким образом будет передаваться информация.

В эталонной модели OSI существует семь слоев. Нижние слои (1-4) сосредотачиваются на передачи данных, в то время как 5-7 являются прикладными. Нижний уровень (1) наиболее близок к физической среде, поэтому его называют физическим. Физический и нижний слои канала передачи данных реализованы в аппаратном и программном обеспечении, например кабелях или Ethernet (слой 2).

Слой 3 используется для логической адресации и маршрутизации. Наиболее распространенное применение – использование Интернет протокола (IP). Уровень 4 – транспортный слой, который гарантирует, что данные передаются без ошибок и в правильной последовательности. Он использует протокол управления передачей (Transmission Control Protocol TCP) и протокол пользовательских дейтаграмм (User Datagram Protocol(UDP) для передачи данных. Промышленный Ethernet отличается от коммерческого тем, что он использует все нижние слои, а не только 2.

Верхние слои эталонной модели OSI используются для прикладных задач и, как правило, реализуется только для программного обеспечения. Слой 5 для управления сеансом связи. Он отвечает за контроль набора и синхронизации подключения сеанса (то есть создание и управление сессиями) между сетями и приложениями.

Слой 6 предназначен для использования представления данных. Этот слой представляет данные и тип кодирования, а также определяет используемые символы. Это гарантирует, что данные могут передаваться по сети и между узлами, и что они сжимаются и кодируются. Слой 7 предназначен для прикладного использования. Он используется программным обеспечением для подготовки и интерпретации данных. Это самый верхний слой, наиболее близок к пользователю.

Таблицы коммутации

В простом виде таблица коммутации (ТК) состоит из 2-х столбцов. Столбец №1 это порт коммутатора, а 2-ой это МАК-адрес ПК, который подключен к данному порту.

В действительности, таблица выглядит намного сложнее, но чтобы понять принцип действия коммутатора, хватит этих 2-х полей. 

Алгоритм обратного обучения

Чтобы узнать, как коммутатор узнает mac адреса компьютеров, которые подключены к его портам, применяется алгоритм обратного обучения.

Например, есть коммутатор, у него 8 портов. Его только что включили и не знает ничего про ПК, подключенные к нему. Ячейки в таблице коммутации пока пустые, коммутатор принимает все кадры, которые приходят на его порты и проводит анализ заголовка канального уровня. Из заголовка он извлекает адрес отправителя. Коммутатор определяет, что к порту №3 подключен ПК с таким же mac-адресом. И следовательно, записывает этот mac-адрес в ТК.

И так далее, пока вся таблица коммутации не заполнится и коммутатор не будет знать МАК-адреса всех ПК, подключенные к его портам.

Сетевой мост

Чтобы отправить кадры внутри коммутаторов, применяется алгоритм прозрачного моста. Мост — был до коммутаторов, это спец устройство, используется для объединения нескольких сетей классического ethernet. Если в сети классического интернета будет подключено большое количество ПК, то возникнут коллизии и данные будут передаваться с низкой скоростью. 

Мосты нужны для того, чтобы разделить крупные сети на несколько маленьких, внутри которых намного меньше возникало коллизий и информация передавались с большей скоростью. Мост был подсоединен к 2-м или нескольким сегментам классического изернет, принимал все кадры, которые передаются, но передавал их в другую сеть только в том случае, есть они предназначались для компьютера из другой сети. 

Есть несколько видов мостов, но для коммутаторов выбрали режим работы прозрачного моста. Прозрачный мост, он незаметен для сетевых устройств. У него нет своего макадреса и ему не нужна настройка.  Вы можете подключать к нему ПК и информация будет немедленно передаваться в отличие от коммутатора. Маршрутизатору нужны конфигурации для каждого порта. В маршрутизаторах необходимо прописать ip адрес, и настроить таблицу маршрутизации. 

Алгоритм прозрачного моста

Например, таблица коммутации заполнена и коммутатор знает мак адреса компьютеров, подключённые к его портам. Коммутатор принимает кадры, проводит анализ заголовка канального уровня и извлекает оттуда адрес получателя. Он ищет этот мак-адрес в таблице коммутации, в нашем случае на картинке ниже, компьютер с таким мак адресом подключен к порту № 2. 

Следовательно, кадр передается на порт №2, где и есть получатель, а не на все порты, как это делает концентратор. 

Если пришел кадр с адресом получателя, а этого адреса нет в таблице коммутации. То коммутатор работает по такой же схеме, как и концентратор.

Передает кадр на все порты, кроме того порта откуда этот кадр поступил, надеясь, что к какому-нибудь из этих портов подключен компьютер получателя, просто по каким-то причинам он еще не передавал данные и поэтому его мак адреса нет в ТК. 

Производительность и расширенная функциональность

ATM сетевого интерфейса.

Сетевая карта Intel 82574L Gigabit Ethernet , карта PCI Express × 1, которая обеспечивает две аппаратные очереди приема

Сетевые адаптеры с множественной очередью обеспечивают несколько очередей передачи и приема , позволяя назначать пакеты, полученные сетевой картой, в одну из его очередей приема. Сетевая карта может распределять входящий трафик между очередями приема с помощью хэш-функции . Каждой очереди приема назначается отдельное прерывание ; за счет маршрутизации каждого из этих прерываний к разным ЦП или ядрам ЦП обработка запросов прерывания, инициированных сетевым трафиком, полученным одной сетевой картой, может быть распределена, повышая производительность.

Аппаратное распределение прерываний, описанное выше, называется масштабированием на стороне приема (RSS). Также существуют чисто программные реализации, такие как управление принимаемыми пакетами (RPS) и управление потоком приема (RFS). Дальнейшее улучшение производительности может быть достигнуто за счет маршрутизации запросов прерывания к процессорам или ядрам, выполняющим приложения, которые являются конечными адресатами для сетевых пакетов, которые генерируют прерывания. Этот метод улучшает локальность ссылки и приводит к более высокой общей производительности, уменьшению задержки и лучшему использованию оборудования из-за более высокого использования кэшей ЦП и меньшего количества требуемых переключений контекста . Примерами таких реализаций являются RFS и Intel Flow Director .

При использовании сетевых адаптеров с несколькими очередями дополнительные улучшения производительности могут быть достигнуты путем распределения исходящего трафика между различными очередями передачи. Назначая разные очереди передачи разным ЦП или ядрам ЦП, можно избежать конфликтов внутри операционной системы. Этот подход обычно называют управлением пакетами передачи (XPS).

Некоторые продукты имеют разделение сетевых карт (NPAR, также известное как разделение портов ), которое использует виртуализацию SR-IOV для разделения одной сетевой карты 10 Gigabit Ethernet на несколько дискретных виртуальных сетевых карт с выделенной полосой пропускания, которые представлены микропрограммному обеспечению и операционной системе как отдельные устройства PCI. функции .

Механизм разгрузки TCP — это технология, используемая в некоторых сетевых адаптерах для разгрузки обработки всего стека TCP / IP на сетевой контроллер. Он в основном используется с высокоскоростными сетевыми интерфейсами, такими как Gigabit Ethernet и 10 Gigabit Ethernet, для которых накладные расходы обработки сетевого стека становятся значительными.

Некоторые сетевые карты предлагают интегрированные программируемые пользователем вентильные матрицы (ПЛИС) для программируемой пользователем обработки сетевого трафика до того, как он достигнет главного компьютера, что позволяет значительно сократить задержки в чувствительных ко времени рабочих нагрузках. Более того, некоторые сетевые карты предлагают полные стеки TCP / IP с малой задержкой, работающие на интегрированных FPGA, в сочетании с библиотеками пользовательского пространства, которые перехватывают сетевые операции, обычно выполняемые ядром операционной системы ; Сетевой стек OpenOnload с открытым исходным кодом Solarflare , работающий в Linux, является примером. Такая функциональность обычно называется сетью на уровне пользователя .

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Андрей Измаилов
Наш эксперт
Написано статей
116
Добавить комментарий